Mekanika batuan sebagai ilmu
merupakan ilmu teoritis dan terapan tentang perilaku mekanik batuan, berkaitan dengan respons batuan atas medan gaya dari lingkungan sekitarnya (Deere, D.V., dalam Stagg & Zienkiewicz, 1968)
Mekanika batuan mempelajari :
1) Mekanisme deformasi kristal-kristal mineral yang mengalami tekanan tinggi pada temperatur tinggi
2) Perilaku triaksial batuan di laboratorium
3) Stabilitas dinding terowongan, bahkan :
4) Mekanisme pergerakan-pergerakan kerak bumi sendiri, dalam hal ini jelas geologi berperan, antara lain material-material yang terlibat :
- masa batuan yang keberadaannya tidak terlepas dari lingkungan geologi atau dihasilkan dari lingkungan geologi
- karakter fisiknya, yang merupakan fungsi dari cara terjadinya dan dari semua proses yang terlibat
- stabilitas dinding terowongan, bahkan
- sejarah geologi pada lokasi kejadian
PENTINGNYA LITOLOGI DAN JENIS BATUAN
Litologi suatu batuan memberikan acuan tentang mineraloginya, tekstur, kemas yang mengarahkan kepada klasifikasi yang dapat diterima ; (lithology = ilmu tentang batuan).
Pentingnya klasifikasi yang dapat diterima :
Jenis batuan, mineralogy, tekstur, fabric (kemas) ---> deskriptif terminologi ---> sistem klasifikasi yang dapat diterima, misalnya: oolitic limestone, bituminous shale.
Jenis batuan sama bisa memberikan rentang nilai sifat mekanik yang panjang Cenderung lithologic name ditinggalkan, diganti dengan nama kelas yang menggunakan sifat mekanik ---> tetap dipertahankan untuk beberapa alasan :
1) Setidaknya ada rentang nilai
Untuk jenis batuan tertentu sebagian rentang harganya tinggi/panjang, sebagian lagi pendek. Misalnya: limestone 5.000 lb/in2 hingga 35.000 lb/in2 (rentang harga 30.000; 1 lb/in2 = 0,70307 Ton/m2); rock salt, garam batuan, 3.000 – 5.000 lb/in2 ---> rentang harga 2.000 saja.
2) Sehubungan dengan tekstur, fabric, structural anisotropy dalam batuan yang terbentuk secara khusus (a particular origin); misalnya:
a. batuan beku, umumnya punya suatu fabric yang padat dan interlocking, yang hanya sedikit saja memiliki perbedaan sifat mekanik ke arah-arah yang berbeda.
b. batuan sedimen berlapis anisotropy in mechanical properties
c. batuan metamorf, foliasi ---> lebih-lebih anisotropy
KLASIFIKASI KETEKNIKAN ---> BATUAN PADU (INTACT ROCK)
a. Batuan padu (Intact rock)
merupakan material batuan yang dapat diambil sebagai sample dan diuji di laboratorium, dan bebas dari kemampuan structural berskala besar, misalnya kekar, bidang-bidang perlapisan, zona gerusan (shear zones).
Klasifikasi batuan padu berdasarkan 2 sifat keteknikan, yaitu:
- Ketahanan kompresif satu-sumbu σa(ult) (uni axial compressive strength)
- Modulus of elasticity, Et = tangen modulus pada 50% ultimate strength), ketahanan kompresif hasil uji spesimen dengan nisbah ukuran panjang : diameter (h : D) paling tidak = 2 : 1. h : D = 2:1, malah boleh lebih besar
Batuan diklasifikasikan baik atas dasar strength maupun modulus ratio ---> sebagai AM, BL, BH, CM dan seterusnya.
Modulus-ratio = Et / σa (ult)
Et = target modulus pada 50% ultimate (final maximum) strength
σa(ult) = qu = unconfined / uniaxial compressive trength (UCS)
BIDANG DISKONTINUITAS
Setiap struktur geologi yang berpengaruh tehadap salah satu sifat massa batuan in situ, diantaranya misalnya, ketahanan (strength), modulus deformasi atau permeability, adalah penting (= significant).
Struktur yang umum tersebut adalah :
* kekar,
* bidang lapisan,
* bidang-bidang foliasi,
* sesar atau bidang-bidang gerus,
* ketidaksinambungan planar sampai hampir planar
---> efek anisotropik yang kuat terhadap massa batuan (unisotropic effect on mass properties)
---> Batuan padu menjadi batuan terkekarkan (tak padu)
---> lihat RMR
PEMETAAN BIDANG DISKONTINUITAS BATUAN
Pemetaan teliti dari :
* lokasi
* orientasi (jurus dan kemiringan)
* spasi
+ karakter fisiknya dideskripsi, bahkan dari intibor, kekuatan lekat antar bagian inti yang terpisah oleh kekar yang diisi mineral tertentu + irregularity bidang kekarnya.
Deskripsi tadi perlu ketelitian, sulit diasumsikan karena
1) singkapan-singkapan batuan tidak cukup banyak untuk suatu kesimpulan statistik
2) diskontinuitas major, e.g. sesar-sesar atau zona-zona gerus tidak nampak akibat erosi atau pelapukan
3) singkapan-singkapan batuan tidak dalam kondisi tiga dimensi yang baik, sehingga tidak menunjukkan nilai-nilai spasi diskontinuitas yang sebenarnya.
4) diskontinuitas ke arah kedalaman berbeda dengan yang tersingkap di permukaan. Dianjurkan pemetaan selain di permukaan juga di terowongan (shaft, adit + intibor melalui core drillings).
KLASIFIKASI BATUAN INSITU
1) Rock Quality Designation (RQD) dari Contoh Inti Bor
L = 4 inci ( = 10 cm)
Σ L
---------------- x 100%
Σ core run
RQD dari Singkapan
RQD selain diperoleh dari pemboran, dapat juga dihitung langsung dari singkapan batuan yang mengalami retakan-retakan (baik lapisan batuan maupun kekar atau sesar) berdasarkan rumus Hudson (1979) sbb.:
RQD = 100 (0.1 λ + 1) e-0.1 λ
adalah rasio antara jumlah kekar dengan panjang scan-line (kekar/meter)
Nisbah Kecepatan
Effect dari dikontinuitas terhadap batuan ditaksir dengan membandingkan kecepatan gelombang kompresional secara in situ dengan kecepatan sonic laboratorium dari inti batuan-padu yang diperoleh dari batuan yang sama.
Kondisi Tekanan InSitu
Banyak hal yang tidak diketahui di dalam fenomena geologi yang sedang berlangsung ---> tekanan insitu tidak dapat ditaksir atau dihitung secara mekanika, sehingga perlu diukur.
---> lithologi, geologi struktur, in situ state of stress tertentu
Kegunaan
1. teknik tambang
Studi perencanaan – pelaksanaan pembukaan tambang dan lain sebagainya
2. teknik sipil
Terowongan dan lain sebagainya
Fondasi bendungan
* Perencanaan (design) melibatkan banyak pilihan (tentatine design) dan prediksi perilaku yang diharapkan melalui desain.
* Rumus-rumus dari teoritis dan mekanika terapan digunakan.
* Dalam banyak kasus sifat-sifat fisik mekanik batuan masuk kedalam rumus-rumus tersebut
* Hasil perhitungan selalu lebih besar dari kenyataan, akibat intact rock sehingga sample yang diambil
* Validitas dari pemecahan yang dihasilkan tidak harus lebih besar dari kenyataan
* Perlu masukan pengaruh joints, spasi
* Insitu testing