.
.
Mekanika Batuan
Mekanika batuan 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
Prinsip Dasar Mekanika Batuan
Mengenal dan menafsirkan tentang
asal-usul dan mekanisme pembentukan suatu struktur geologi akan menjadi lebih
mudah apabila kita memahami prinsip-prinsip dasar mekanika batuan, yaitu
tentang konsep gaya (force), tegasan (stress), tarikan (strain) dan
faktor-faktor lainnya yang mempengaruhi karakter suatu materi/bahan.
·
Gaya (Force)
Gaya merupakan suatu vektor yang
dapat merubah gerak dan arah pergerakan suatu benda. Gaya dapat bekerja secara
seimbang terhadap suatu benda (seperti gaya gravitasi dan elektromagnetik) atau
bekerja hanya pada bagian tertentu dari suatu benda (misalnya gaya-gaya yang
bekerja di sepanjang suatu sesar di permukaan bumi).
Gaya gravitasi merupakan gaya
utama yang bekerja terhadap semua obyek/materi yang ada di sekeliling kita.
Besaran (magnitud) suatu gaya gravitasi adalah berbanding lurus dengan
jumlah materi yang ada, akan tetapi magnitud gaya di permukaan tidak tergantung
pada luas kawasan yang terlibat. Satu gaya dapat diurai menjadi 2
komponen gaya yang bekerja dengan arah tertentu, dimana diagonalnya mewakili
jumlah gaya tersebut. Gaya yang bekerja diatas permukaan dapat dibagi menjadi 2
komponen yaitu: satu tegak lurus dengan bidang permukaan dan satu lagi searah
dengan permukaan.
Pada kondisi 3-dimensi, setiap
komponen gaya dapat dibagi lagi menjadi dua komponen membentuk sudut tegak
lurus antara satu dengan lainnya. Setiap gaya, dapat dipisahkan menjadi tiga
komponen gaya, yaitu komponen gaya X, Y dan Z.
·
Tekanan Litostatik
Tekanan yang terjadi pada suatu
benda yang berada di dalam air dikenal sebagai tekanan hidrostatik. Tekanan
hidrostatik yang dialami oleh suatu benda yang berada di dalam air adalah
berbanding lurus dengan berat volume air yang bergerak ke atas atau volume air
yang dipindahkannya.
Sebagaimana tekanan hidrostatik
suatu benda yang berada di dalam air, maka batuan yang terdapat di dalam bumi
juga mendapat tekanan yang sama seperti benda yang berada dalam air, akan
tetapi tekanannya jauh lebih besar ketimbang benda yang ada di dalam air, dan
hal ini disebabkan karena batuan yang berada di dalam bumi mendapat tekanan
yang sangat besar yang dikenal dengan tekanan litostatik. Tekanan litostatik
ini menekan kesegala arah dan akan meningkat ke arah dalam bumi.
·
Tegasan (Stress forces)
Tegasan adalah gaya yang bekerja
pada suatu luasan permukaan dari suatu benda. Tegasan juga dapat didefinisikan
sebagai suatu kondisi yang terjadi pada batuan sebagai respon dari gaya-gaya
yang berasal dari luar. Tegasan dapat didefinisikan sebagai gaya yang bekerja
pada luasan suatu permukaan benda dibagi dengan luas permukaan benda tersebut:
Tegasan (P)= Daya (F) / luas (A).
Tegasan yang bekerja pada salah
satu permukaan yang mempunyai komponen tegasan prinsipal atau tegasan utama,
yaitu terdiri daripada 3 komponen, yaitu: σP, σQ dan
σR. Tegasan pembeda adalah perbedaan antara
tegasan maksimal (σP) dan tegasan minimal (σR).
Sekiranya perbedaan gaya telah melampaui kekuatan batuan maka retakan/rekahan
akan terjadi pada batuan tersebut. Kekuatan suatu batuan sangat tergantung pada
besarnya tegasan yang diperlukan untuk menghasilkan retakan/rekahan.
·
Gaya Tarikan (Tensional Forces)
Gaya Tegangan merupakan gaya yang
dihasilkan oleh tegasan, dan melibatkan perubahan panjang, bentuk (distortion)
atau dilatasi (dilation) atau ketiga-tiganya.
Bila terdapat perubahan tekanan
litostatik, suatu benda (homogen) akan berubah volumenya (dilatasi) tetapi
bukan bentuknya. Misalnya, batuan gabro akan mengembang bila gaya
hidrostatiknya diturunkan.
Perubahan bentuk biasanya terjadi
pada saat gaya terpusat pada suatu benda. Bila suatu benda dikenai gaya, maka
biasanya akan dilampaui ketiga fasa, yaitu fasa elastisitas, fasa plastisitas,
dan fasa pecah. Bahan yang rapuh biasanya pecah sebelum fase plastisitas dilampaui,
sementara bahan yang plastis akan mempunyai selang yang besar antara sifat
elastis dan sifat untuk pecah. Hubungan ini dalam mekanika batuan ditunjukkan
oleh tegasan dan tarikan.
Kekuatan batuan, biasanya mengacu
pada gaya yang diperlukan untuk pecah pada suhu dan tekanan permukaan tertentu.
Setiap batuan mempunyai kekuatan yang berbeda-beda, walaupun terdiri dari jenis
yang sama. Hal ini dikarenakan kondisi pembentukannya juga berbeda-beda.
Batuan sedimen seperti batupasir,
batugamping, batulempung kurang kuat dibandingkan dengan batuan metamorf
(kuarsit, marmer, batusabak) dan batuan beku (basalt, andesit, gabro).
Batuan yang terdapat di Bumi
merupakan subyek yang secara terus menerus mendapat gaya yang berakibat tubuh
batuan dapat mengalami pelengkungan atau keretakan. Ketika tubuh batuan
melengkung atau retak, maka kita menyebutnya batuan tersebut terdeformasi
(berubah bentuk dan ukurannya). Penyebab deformasi pada batuan adalah gaya
tegasan (gaya/satuan luas). Oleh karena itu untuk memahami deformasi yang
terjadi pada batuan, maka kita harus memahami konsep tentang gaya yang bekerja
pada batuan. Tegasan (stress) dan tegasan tarik (strain stress) adalah gaya
gaya yang bekerja di seluruh tempat dimuka bumi. Salah satu jenis tegasan yang
biasa kita kenal adalah tegasan yang bersifat seragam (uniform-stress) dan
dikenal sebagai tekanan (pressure). Tegasan seragam adalah suatu gaya yang
bekerja secara seimbang kesemua arah. Tekanan yang terjadi di bumi yang
berkaitan dengan beban yang menutupi batuan adalah tegasan yang bersifat
seragam. Jika tegasan kesegala arah tidak sama (tidak seragam) maka tegasan
yang demikian dikenal sebagai tegasan diferensial.
Tegasan diferensial dapat
dikelompokaan menjadi 3 jenis, yaitu:
·
Tegasan tensional (tegasan extensional) adalah tegasan yang dapat mengakibatkan
batuan mengalami peregangan atau mengencang.
·
Tegasan kompresional adalah tegasan yang dapat mengakibatkan batuan mengalami
penekanan.
·
Tegasan geser adalah tegasan yang dapat berakibat pada tergesernya dan
berpindahnya batuan.
Ketika batuan terdeformasi maka
batuan mengalami tarikan. Gaya tarikan akan merubah bentuk, ukuran, atau volume
dari suatu batuan. Tahapan deformasi terjadi ketika suatu batuan mengalami
peningkatan gaya tegasan yang melampaui 3 tahapan pada deformasi batuan.
di bawah memperlihatkan hubungan
antara gaya tarikan dan gaya tegasan yang terjadi pada proses deformasi batuan.
·
Deformasi yang bersifat elastis (Elastic Deformation) terjadi apabila sifat gaya
tariknya dapat berbalik (reversible).
·
Deformasi yang bersifat lentur (Ductile Deformation) terjadi apabila sifat gaya
tariknya tidak dapat kembali lagi (irreversible).
·
Retakan / rekahan (Fracture) terjadi apabila sifat gaya tariknya yang tidak
kembali lagi ketika batuan pecah/retak.
Kita dapat membagi material
menjadi 2 (dua) kelas didasarkan atas sifat perilaku dari material ketika
dikenakan gaya tegasan padanya, yaitu :
·
Material yang bersifat retas (brittle material), yaitu apabila sebagian kecil
atau sebagian besar bersifat elastis tetapi hanya sebagian kecil bersifat
lentur sebelum material tersebut retak/pecah
·
Material yang bersifat lentur (ductile material) jika sebagian kecil bersifat
elastis dan sebagian besar bersifat lentur sebelum terjadi peretakan / fracture
Bagaimana suatu batuan / material
akan bereaksi tergantung pada beberapa faktor, antara lain adalah:
Temperatur –
Pada temperatur tinggi molekul molekul dan ikatannya dapat meregang dan
berpindah, sehingga batuan/material akan lebih bereaksi pada kelenturan dan
pada temperatur, material akan bersifat retas.
Tekanan bebas –
pada material yang terkena tekanan bebas yang besar akan sifat untuk retak
menjadi berkurang dikarenakan tekanan disekelilingnya cenderung untuk
menghalangi terbentuknya retakan. Pada material yang tertekan yang rendah akan
menjadi bersifat retas dan cenderung menjadi retak.
Kecepatan tarikan –
Pada material yang tertarik secara cepat cenderung akan retak. Pada material
yang tertarik secara lambat maka akan cukup waktu bagi setiap atom dalam
material berpindah dan oleh karena itu maka material akan berperilaku /
bersifat lentur.
Komposisi –
Beberapa mineral, seperti Kuarsa, Olivine, dan Feldspar bersifat sangat retas.
Mineral lainnya, seperti mineral lempung, mica, dan kalsit bersifat lentur. Hal
tersebut berhubungan dengan tipe ikatan kimianya yang terikat satu dan lainnya.
Jadi, komposisi mineral yang ada dalam batuan akan menjadi suatu faktor dalam
menentukan tingkah laku dari batuan. Aspek lainnya adalah hadir tidaknya air.
Air kelihatannya berperan dalam memperlemah ikatan kimia dan mengitari butiran
mineral sehingga dapat menyebabkan pergeseran. Dengan demikian batuan yang
bersifat basah cenderung akan bersifat lentur, sedangkan batuan yang kering
akan cenderung bersifat retas.
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)
Sifat Fisik Batuan
Porositas
Porositas didefinisikan sebagai perbandingan volume pori-pori (yaitu volume yang ditempati oleh fluida) terhadap volume total batuan. Ada dua jenis porositas yaitu porositas antar butir dan porositas rekahan. Secara matematis porositas dapat dituliskan sebagai berikut:
Porositas didefinisikan sebagai perbandingan volume pori-pori (yaitu volume yang ditempati oleh fluida) terhadap volume total batuan. Ada dua jenis porositas yaitu porositas antar butir dan porositas rekahan. Secara matematis porositas dapat dituliskan sebagai berikut:
Sebagai contoh, apabila batuan
mempunyai media berpori dengan volume 0,001 m3, dan media berpori
tersebut dapat terisi air sebanyak 0,00023 m3, maka porositasnya
adalah:
Pada kenyataannya, porositas didalam suatu sistem panasbumi sangat bervariasi. Contohnya didalam sistem reservoir rekah alami, porositas berkisar sedikit lebih besar dari nol, akan tetapi dapat berharga sama dengan satu (1) pada rekahannya. Pada umumnya porositas rata-rata dari suatu sistem media berpori berharga antara 5 – 30%.
Pada kenyataannya, porositas didalam suatu sistem panasbumi sangat bervariasi. Contohnya didalam sistem reservoir rekah alami, porositas berkisar sedikit lebih besar dari nol, akan tetapi dapat berharga sama dengan satu (1) pada rekahannya. Pada umumnya porositas rata-rata dari suatu sistem media berpori berharga antara 5 – 30%.
Kecepatan Aliran Fluida
Kecepatan aliran darcy atau flux
velocity (v) adalah laju alir rata-rata volume flux per satuan luas
penampang di media berpori. Sedangkan kecepatan rata-rata fluida yang melalui
media berpori dikenal sebagai interstitial velocity (u). Hubungan
antara kedua parameter kecepatan tersebut adalah sebagai berikut:
Harga flux velocity pada umumnya
sekitar 10-6 m/s. Besarnya interstitial velocity digunakan untuk
kecepatan suatu partikel (partikel kimia penjejak atau tracer) yang
mengalir pada media berpori.
Permeabilitas
Permeabilitas adalah parameter
yang memvisualisasikan kemudahan suatu fluida untuk mengalir pada media
berpori. Parameter ini dihubungkan dengan kecepatan alir fluida oleh hukum
Darcy seperti di bawah ini
Tanda negatif dalam persamaan di
atas menunjukkan bahwa apabila tekanan bertambah dalam satu arah, maka arah
alirannya berlawanan arah dengan pertambahan tekanan tersebut. Dari persamaan
(2.3) dapat dinyatakan bahwa kecepatan alir fluida (kecepatan flux) berbanding
lurus dengan k/m, dimana didalam teknik perminyakan, k/m dikenal sebagai mobility
ratio.
Permeabilitas mempunyai arah,
dimana ke arah x dan y biasanya mempunyai permeabilitas lebih besar dari pada
ke arah z. Sistem ini disebut anisotropic.
Apabila permeabilitas tersebut
seragam ke arah horizontal maupun vertikal disebut sistem isotropik.
Satuan permeabilitas adalah m2.
Pada umumnya pada reservoir panasbumi, permeabilitas vertikal berkisar antara
10-14 m2, dengan permeabilitas horizontal dapat mencapai
10 kali lebih besar dari permeabilitas vertikalnya (sekitar 10-13 m2).
Satuan permeabilitas yang umum digunakan didunia perminyakan adalah Darcy (1
Darcy = 10-12 m2).
0 Response to "LITOLOGI DAN JENIS BATUAN"
Post a Comment