Essential Definitions and Engineering Aspect of Rock

  1. Resume: Chapter 2 Geological Setting, Engineering Rock Mechanics

Dalam mekanika dan rekayasa batuan, batuan berperan sebagai material teknik dengan variasi yang tinggi akan mempengaruhi struktur (konstruksi), apakah struktur akan dibuat dalam batuan, di atas batuan, atau struktur merupakan bagian dari batuan. Dalam bidang sipil, batuan dipindahkan, diambil, dan ditambahkan untuk membentuk struktur. Sementara itu, di bidang tambang, batuan digali untuk open pit dengan fokus pada stabilitas lereng.

Lingkungan pembentukan batuan memiliki efek sangat besar dalam kegiatan rekayasa. Rekahan pada batuan akan mempengaruhi kestabilan dekat permukaan dan stress insitu alami mempengaruhi kestabilan struktur yang dalam. Selain itu, struktur keteknikan dapat juga dipengaruhi oleh kondisi batuan apakah kering atau basah, dingin atau hangat, dan stabil atau tertekan. Kondisi geologi dapat mempengaruhi mekanika batuan dan desain keteknikan.

 Deskripsi yang paling penting dari perilaku mekanik adalah kurva tegangan (stress)-regangan (strain) melalui pengujian kompresi satu arah (uniaksial). Kurva ini akan menggambarkan pengaruh yang sangat signifikan dari struktur mikro batuan dan sejarah dari perilaku mekaniknya. Gambar 1 memperlihatkan kurva tegangan-regangan untuk sampel batuan yang dikompresi dalam satu arah.  Ada beberapa karakteristik yang menarik dalam pengujian tersebut. Yang pertama adalah kekakuan (stiffness) yang didefinisikan sebagai modulus Young (E). Pada bagian sebelum puncak keruntuhan (pre-peak) dari kurva pada Gambar 1, batuan menjadi lebih atau kurang elastis. Untuk material dengan modulus tinggi (brittle), bagian awal dari kurva tegangan-regangan akan curam sedangkan untuk material dengan modulus rendah (ductile), kurva akan menjadi landai. Gambar 2 memperlihatkan perbedaan antara material brittle dan ductile. Karakteristik kedua adalah kuat tekan (compressive strength), yaitu tegangan maksimum (maximum stress) yang dapat dipertahankan batuan. Karakteristik ketiga adalah kecuraman dari bagian penurunan kurva yang merupakan ukuran kerapuhan batuan

Gambar 1
Gambar 1. Kurva tegangan dan regangan yang menunjukkan kekakuan, kekuatan, dan brittleness.

Gambar 2
Gambar 2. Ilustrasi perbedaan material brittle dan ductile.

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, bentuk kurva tegangan-regangan ditentukan oleh keberadaan struktur mikro. Misalnya, basal dengan butirannya yang halus, memiliki kekakuan tinggi, kekuatan tinggi, dan sangat getas. Di sisi lain, batugamping dengan variasi ukuran butir, memiliki kekakuan menengah, kekuatan menengah, dan penurunan kurva yang lebih landai akibat kerusakan bertahap dari struktur mikro.  Selama proses litifikasi dan sepanjang sejarah geologi, terdapat periode orogenik dan proses pembebanan yang bekerja terhadap batuan. Selanjutnya, terbentuk rekahan batuan dan struktur batuan lainnya (yang seringnya sangat kompleks) pada blok batuan.  Cara pembentukan rekahan mengarah kepada dua jenis diskontinuitas mendasar, yaitu pembukaan yang diistilahkan sebagai kekar dan pergerakan lateral yang diistilahkan sebagai zona geser atau sesar. Jenis diskontinuitas tersebut terdapat pada semua massa batuan di berbagai skala sehingga secara signifikan akan mempengaruhi deformabilitas, kekuatan, dan keruntuhan massa batuan. Selain itu, karakteristik penting lainnya seperti permeabilitas dipengaruhi hampir seluruhnya oleh konfigurasi struktur batuan. Selain itu, bukaan dari kekar dalam massa batuan merupakan saluran terbuka untuk aliran air yang membuat permeabilitas lebih besar dibandingkan dengan bagian batuan lainnya yang berdekatan.  Batuan sebagai material alami memiliki kondisi pembebanan dan in situ pre-existing stress dalam batuan. Peristiwa orogenik masa lalu menyebabkan batuan memiliki sejarah stress. Topografi permukaan dan erosi akan mempengaruhi in situ stress. Pada kasus penggalian dalam sebuah terowongan atau kegiatan penambangan, tidak ada pembebanan baru, melainkan berupa pre-existing stress yang disalurkan ulang oleh aktivitas keteknikan. Dalam semua kasus, hal ini akan menghasilkan stress yang meningkat di beberapa area dan menurunkan stress di tempat lainnya.

Ada dua aspek stress yang perlu diperhatikan oleh engineer:

1)      Kasus terowongan bawah tanah yang dalam, stress yang bekerja terhadap lantai akan sama seperti atap.

2)      Pada keseluruhan stress yang diukur di berbagai tempat, komponen stress horizontal lebih besar dari komponen stress vertikal.

Secara mendasar, komponen stress vertikal disebabkan oleh berat lapisan, sedangkan stress horizontal berkaitan dengan gaya tektonik seperti subduksi.

Gambar 3

Pembebanan yang diterapkan pada massa batuan yang mungkin mengandung pre-existing stress. 

Fluida pori dan aliran air lebih sulit terjadi dalam mekanika batuan daripada mekanika tanah. Meskipun massa batuan memiliki banyak rekahan yang lebih besar dan luas. Banyak batuan dalam intact-nya memiliki permeabilitas sangat rendah; aliran air biasanya melalui permeabilitas sekunder seperti rekahan pre-existing.  Aliran air dalam intact rock begitu penting perannya seperti dalam aplikasi di teknik reservoir dalam industri perminyakan, kasus aliran air dalam geothermal, dan pembuangan sisa radioaktif menggunakan aliran air 3D.   Faktor utama lain yang mempengaruhi batuan dan massa batuan adalah waktu. Material teknik berumur jutaan tahun, sedangkan aktivitas rekayasa dirancang hanya untuk jangka waktu seabad atau kurang.  Sehingga, terdapat dua jenis perilaku yaitu proses geologi, merupakan keseimbangan alam dan proses rekayasa yang relatif cepat.  Dalam jangka waktu lebih dari jutaan tahun, di beberapa area stress in situ batuan akan stabil dan di tempat lainnya stress akan dipengaruhi oleh aktivitas tektonik. Tekanan pori di batuan paling permeabel akan stabil tetapi aktivitas geologi dapat menyebabkan perubahan hidrogeologi. Sementara itu, respon batuan terhadap rekayasa terjadi dalam waktu yang sangat singkat.  Pengaruh waktu penting karena faktor penurunan kekuatan batuan sepanjang waktu serta pengaruh creep dan relaxation. Creep meningkatkan strain pada stress konstan. Relaxation menurunkan stress pada strain konstan.

Referensi:

Hudson, J. A. dan Harrison, J. P. (1998) : Engineering Rock Mechanics, Elsevier, UK, 29 – 36.

  1. Geology is Important for Rock Mechanical Analysis

Gresseth (1964) yang menyatakan bahwa studi kekar dan rekahan sering digunakan untuk mengindikasikan arah principal stress dan fabric skala besar dari massa batuan.

Kemudian, untuk berbagai tujuan praktis, mekanika batuan sering konsen dengan massa batuan, sering terjadi di dunia pertambangan dan keteknikan. Studi perilaku massa batuan berkaitan dengan perubahan stress atau kondisi lainnya (Pollard dan Fletcher, 2005). Pentingnya diskontinuitas yang mengontrol perilaku massa batuan (Müller, 1979). Stabilitas penggalian bergantung kekuatan massa batuan. Besarnya stress pre-existing bergantung sejarah geologi dari massa batuan yang diukur. (Hoek and Brown, 1980).

Dalam geologi, dibahas mengenai deskripsi batuan, proses-proses pembentukan batuan, sejarah geologi, dan aplikasi ilmu geologi dalam eksplorasi maupun kegiatan rekayasa.

Dalam mekanika batuan, batuan dapat menjadi subjek maupun objek dalam analisis. Hal ini bergantung tujuan kegiatan rekayasa apakah untuk pembuatan dam, terowongan, gedung, atau konstruksi lainnya. Struktur atau konstruksi yang dibangun apakah di atas permukaan batuan, di dalam batuan, atau menggunakan material dari batuan. Semua hal tersebut merujuk pada batuan.

Batuan sebagai material teknik memegang peranan penting dalam aktivitas rekayasa. Deskripsi material yang baik meliputi petrografi (komposisi mineral) dan struktur geologi (diskontinuitas) diperlukan untuk mengetahui karakteristik material yang akan digunakan. Kajian tentang sejarah dan pengaruh geologi juga mempengaruhi bagaimana in situ stress yang bekerja pada batuan. Pengaruh penting lainnya terhadap mekanika batuan adalah pengaruh air pori dan pengaruh pelapukan.

Strata geologi, perubahan material batuan, tipe batuan, struktur batuan, perubahan terhadap batuan, in situ stress, dan rezim hidrogeologi menjadi penting untuk kegiatan keteknikan. Pengaruh struktur batuan terhadap rekayasa dapat terjadi pada skala sangat luas hingga mikro. Interpretasi struktur batuan akan berpengaruh terhadap bentuk, desain, dan ukuran keteknikan.

Deskripsi petrografi memberi informasi mengenai bentuk formasi dan kandungan mineral yang secara teknis penting untuk dasar proyek keteknikan batuan. Komposisi mineral dapat mengestimasi sensitivitas batuan terhadap degradasi kimia oleh panas dan disolusi, identifikasi pelapukan yang menyebabkan slaking, ekspansi, dan estimasi pengisian mineral tertentu.

Sebagai contoh, dalam klasifikasi massa batuan, ada beberapa parameter yang digunakan untuk menentukan nilai dari massa batuan tersebut. Misalnya, karakterisasi dari kekar yang ada meliputi: bentuk, kondisi, spasi, lebar dari kekar, dan sebagainya. Perlu diketahui juga jenis batuannya untuk mengetahui karakteristik batuan yang ada. Basal akan memiliki kekuatan batuan yang tinggi dan kekakuan yang tinggi pula, sedangkan batugamping akan memiliki kekuatan dan tingkat kekakuan menengah.

Sementara itu, pengetahuan mengenai in situ stress yang bekerja di area konstruksi dapat membantu menentukan desain perkuatan yang perlu diberikan pada batuan agar konstruksi terbentuk dengan aman. Hampir semua stress di permukaan bumi memiliki dominasi stress horizontal yang lebih besar dari stress vertikal. Dengan demikian, perlu diperhatikan pengaruh stress horizontal ini terhadap proses konstruksi.

Berdasarkan uraian tersebut, geologi memegang peranan vital dalam mekanika batuan. Dalam menganalisis mekanika batuan, selain deskripsi batuan yang lengkap, kemudian kekar dan diskontinuitas yang terbentuk dalam massa batuan, juga diperlukan analisis mengenai stress yang bekerja pada batuan. Hal-hal tersebut akan mempengaruhi tingkat suksesnya suatu kegiatan rekayasa.

 Referensi:

Jaeger, J. C., Cook, N. G. W., dan Zimmerman, R. W., (1998) : Fundamentals of Rock Mechanics Fourth Edition, Blackwell Publishing, Malden, Victoria, Oxford, 1 – 7.

Hudson, J. A. dan Harrison, J. P. (1998) : Engineering Rock Mechanics, Elsevier, UK, 29 – 36.

Hoek, E. (2006) : Practical Rock Engineering, The Development of Rock Engineering, Unpublished, 1 – 21.

Pusch, R. (1995) : Rock Mechanics on a Geological Base, Development in Geotechnical Engineering, Elsevier, Amsterdam, 77, 1 – 48.

  1. Emphasis Rock Mechanics

Pada tahun 1960-an, perhatian dari mekanika batuan terfokus pada intact rock, sedangkan pada tahun 1970-an pada diskontinuitas dan massa batuan. Pada tahun 1980-an perhatian berkutat pada analisis numerik yang terus berlanjut hingga tahun 1990-an. Pada tahun 1990-an terdapat kombinasi di antara penentuan properti material, eksperimen in situ skala besar, penggunaan komputer, dan implementasi prinsip keteknikan. Saat ini, penggunaan komputer melebihi kemampuan kita untuk mengukur parameter input dan untuk mengetahui realisasi modeling komputer tersebut.

Saat ini, mekanika batuan diperlukan secara luas, meliputi kegiatan penambangan, sipil, dan juga indusri perminyakan. Dalam lingkup yang lebih luas, mekanika batuan digunakan secara sukses untuk memodelkan dan memprediksi perilaku dari massa batuan yang terkekarkan. Peralatan dan model yang dikembangkan berguna untuk cakupan industri dan desain rekayasa. Peralatan tersebut masih dapat dikembangkan menjadi lebih baik ke depannya.

Mekanika batuan dalam sepuluh tahun terakhir memunculkan teknologi kritis yang mengurangi resiko biaya pemboran, kualifikasi eksplorasi, dan meningkatkan produktivitas hidrokarbon. Mekanika batuan berperan penting dalam pembuatan keputusan vital dalam pemboran, pemboran air dalam, dan perekahan hidraulik masif, Ketidakstabilan lubang bor, subsidence, dan stuck pipe memakan biaya yang sangat mahal. Dengan teori, metode eksperimental, dan pesatnya pemodelan mekanika batuan memberikan pengetahuan dalam menyelesaikan permasalahan geologi yang kompleks dalam eksplorasi.

 Referensi:

Hudson, J. A. dan Harrison, J. P. (1998) : Engineering Rock Mechanics, Elsevier, UK, 29 – 36.

Amadei, B., Smeallie, P., dan Heuze, F. E. (2000) : Workshop on Industry-Government-University Partnership in Rock Mechanics and Rock Engineering: Challenge and Opportunities, American Rock Mechanics Association, iii.

The independent (2015) : Applied Rock Mechanics, http://courses.independent.co.uk/training/applied-rock-mechanics-arm-320939, diakses 29 September 2015.

 

 

 

 

Komentar

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s