ANALISA STABILITAS LERENG DENGAN LIMIT EQUILIBRIUM DAN FINITE ELEMENT METHOD Dave Juven George Herman, Ir. GOUW Tjie Liong, M.Eng, ChFC Binus University, jl.KH.Syahdan no.9,
[email protected]
ABSTRAK Setiap kegiatan konstruksi memerlukan berbagai macam analisa guna menunjang berjalanya suatu pekerjaan konstruksi. Analisa stabilitas lereng merupakan analisa yang harus dilakukan, karena hampir setiap perkerjaan konstruksi akan melibatkan pembuatan lereng seperti galian, timbunan dan konstruksi di atas lereng. Metode yang dipakai dalam analisa stabilitas lereng pada umumnya adalah metode Limit Equilibrium dan Finite Element. Metode ini memiliki perbedaan pada konsep perhitungan dimana metode Limit Equilibrium berdasarkan konsep kesetimbangan batas dan Finite Element berdasarkan teori Shear Strenght Reduction. Hasil dari analisa stabilitas lereng ini dinyatakan dalam nilai Faktor keamanan. Dalam penelitian ini dilakukan analisa terhadap suatu kondisi dimana data lereng yang digunakan dalam analisa adalah kondisi lereng yang sudah mengalami kelongsoran, kemudian dari hasil kedua metode analisa ini dibandingkan dan ditarik kesimpulan metode mana yang lebih mendekati kondisi asli di lapangan. Dari hasil analisa didapatkan bahwa nilai Faktor keamanan, prediksi keruntuhan, pola keruntuhan dari kedua metode tersebut memiliki kecenderungan hasil yang sama dimana persentase perbedaan dari hasil analisa terbesar adalah 3%. Kata kunci : Stabilitas, Lereng, Limit Equilibrium, Finite Element
PENDAHULUAN Perkembangan dan tuntutan pembangunan infrastruktur pada masa ini sangatlah tinggi dan pembangunan juga terjadi di segala bentuk permukaan lahan untuk mencapai efektifitas pemanfaatan lahan. Seiring berkembangnya zaman, permasalahan di dunia geoteknik semakin banyak, dan hal ini juga diikuti dengan perkembangan metode-metode yang terus diperbaiki guna mendapatkan hasil analisa yang lebih baik. Salah satu analisa dalam bidang geoteknik yang terus berkembang adalah analisa stabilitas lereng. Pentingnya dilakukan analisa ini karena banyaknya pembangunan yang dilakukan di daerah lereng dan masalah yang timbul dari pembangunan di daerah lereng adalah kelongsoran. Analisa stabilitas lereng dinyatakan dalam faktor keamanan. Dalam analisa stabilitas lereng umumnya terdapat 2 metode yang dipakai yaitu Metode Limit Equilibrium dan Metode Elemen Hingga. Analisa stabilitas lereng dengan Metode Limit Equilibrium faktor keamanan didapat dari rasio perbandingan antara kekuatan geser dengan dorongan geser dan analisa stabilitas lereng dengan Metode Elemen Hingga didapatkan dari perbandingan antara nilai kohesi tanah berbanding dengan nilai kohesi tanah yang di reduksi dan tangensial sudut geser tanah berbanding dengan nilai tangensial sudut geser tanah yang di reduksi. Oleh karena itu diperlukan analisa dari kedua metode ini dan hasilnya akan dibandingkan dengan kondisi nyata di lapangan. Tujuan dari penelitian ini adalah menganalisa stabilitas lereng dengan Metode Limit Equilibrium dan Metode Elemen Hingga dengan data lapangan dan dibandingkan dengan kondisi di lapangan dimana sebuah
lereng mengalami keruntuhan (nilai faktor keamanan mendekati 1) dan akan didapatkan metode yang paling mendekati analisanya dengan kondisi di lapangan. Manfaat dari penelitian ini adalah memberikan referensi untuk pemilihan metode analisa stabilitas lereng dengan hasil yang lebih mendekati kondisi nyata di lapangan. Dalam penelitian ini untuk mempermudah analisa dilakukan dengan bantuan program Geostudio 2007 untuk metode Limit Equilibrium dan Plaxis 2D versi 8.2 untuk Finite Element. Dalam penelitian ini data yang dipakai adalah data timbunan. Penelitian yang dilakukan hanya meninjau perbandingan dari nilai faktor keamanan, prediksi ketinggian runtuh, dan pola keruntuhan yang dihasilkan oleh kedua metode tersebut
Lereng Lereng adalah sebuah permukaan tanah yang terbuka, yang berdiri membentuk sudut tertentu terhadap sumbu horisontal, atau dapat dikatakan lereng adalah permukaan tanah yang memiliki dua elevasi yang berbeda dimana permukaan tanah tersebut membentuk sudut. Dari proses terbentuknya, sebuah lereng dapat terjadi secara alamiah dan buatan manusia. Yang dimaksud dengan lereng alamiah adalah lereng yang terbentuk karena proses alam tanpa campur tangan manusia, sedangkan lereng buatan adalah lereng yang dibentuk oleh manusia seperti lereng akibat sebuah galian dan lereng akibat timbunan.
Gambar 1 Lereng
Perbedaan elevasi pada permukaan tanah seperti lereng dapat mengakibatkan pergerakan massa tanah dari bidang dengan elevasi yang tinggi menuju bidang dengan elevasi yang lebih rendah, pergerakan ini diakibatkan oleh gravitasi. Pergerakan massa tanah tersebut juga dapat dipengaruhi oleh air dan gaya gempa. Pergerakan atau gaya tersebut akan menghasilkan tegangan geser yang berfungsi sebagai gaya penahan dan apabila berat massa tanah yang bekerja sebagai gaya pendorong itu lebih besar dari tegangan geser tersebut maka akan mengakibatkan kelongsoran.
Stabilitas lereng Sebuah lereng dikatakan stabil apabila lereng tersebut tidak mengalami kelongsoran. Faktor-faktor yang menyebabkan ketidakstabilitas lereng secara umum dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Faktor-faktor yang menyebabkan naiknya tegangan yaitu naiknya berat unit tanah karena pembasahan, adanya tambahan beban eksternal, bertambahnya kecuraman lereng karena erosi alami atau penggalian dan bekerjanya beban guncangan. 2. Faktor-faktor yang menyebabkan turunnya kekuatan ; meliputi penyerapan air, kenaikan tekanan air pori, beban guncangan atau beban berulang, pengaruh pembekuan dan pencairan, hilangnya sementasi material, proses pelapukan dan regangan berlebihan pada lempung sensitif PLAXIS
PLAXIS merupakan sebuah program dalam bidang geoteknik yang menggunakan Metode Elemen Hingga untuk aplikasi geoteknik dimana digunakan model-model tanah untuk melakukan simulasi terhadap perilaku dari tanah. Pengembangan PLAXIS dimulai pada tahun 1987 di Universitas Delft (Delft University of Technology) atas inisiatif Departemen Tenaga Kerja dan Pengelolaan Sumber Daya Air Belanda (Dutch Department of Public Works and Water Management /Rijkswaterstaat). Tujuan awal dari pembuatan Program PLAXIS adalah untuk menciptakan sebuah program komputer berdasarkan Metode Elemen Hingga dua dimensi yang mudah digunakan untuk menganalisa tanggul-tanggul yang dibangun di atas tanah lunak di dataran rendah di Belanda.
Pada tahun-tahun berikutnya, PLAXIS dikembangkan lebih lanjut hingga mencakup hampir seluruh aspek perencanaan geoteknik lainnya. Perilaku mekanis dari tanah dapat dimodelkan meggunakan berbagai macam jenis mode. Pemodelan hubungan tegangan-tengan yang paling sederhana adalah pemodelan hukum linier Hooke, elastisitas isotropik, yang hanya memerlukan dua input yaitu modulus Young (E), dan poisson rasio (ν). Dengan pemodelan linier hasil yang didapatkan terlalu besar untuk dipakai dalam pemodelan. Oleh sebab itu terdapat berbagai macam pemodelan sifat mekanis material dalam program Plaxis, yaitu Mohr Coulomb Model, Jointed Rock Model, Hardening Soil Model, Soft Soil Creep Model dan Soft Soil model. Pada pemodelan material Mohr Coulomb model terdapat 5 parameter yang perlu dimasukan yaitu Modulus Elastisitas (E) dan Poisson Ratio ν untuk elastisitas tanah, sudut geser (ϕ) dan kohesi (c) untuk plastisitas tanah, dan ψ untuk dilatansi tanah. Pemodelan Mohr Coulomb menggunakan pendekatan yang mendekati perilaku mekanis pada tanah.
Gambar Error! No text of specified style in document. Pemodelan Mohr-Coulomb
Pada pemodelan Mohr Coulomb setiap lapisan diperkirakan memiliki kekakuan rata-rata yang konstan, akibat kekakuan yang konstan perhitungan dalam program akan lebih cepat dan dapat menghasilkan perkiraan deformasi dari perhitungan tersebut. Untuk model lainya tidak dibahas dalam penelitian ini karena tidak digunakan dalam analisa. Salah satu perencanaan geoteknik tersebut adalah menganalisa stabilitas lereng. Pada Plaxis analisa stabilitas lereng menggunakan metode Shear Strenght Reduction-Finite Element Method yaitu perhitungan faktor keamanan dengan mereduksi parameter-parameter yang mempengaruhi kuat geser tanah yaitu nilai kohesi dan sudut geser tanah. Sehingga faktor keamanan stabilitas lereng berdasarkan metode ini menjadi
dan
Dalam metode ini, parameter kekuatan geser tanah yang didapat dari hasil perhitungan dengan parameter tanah asli akan direduksi secara otomatis hingga garis keruntuhan bersinggungan denghan beban yang ada sehingga kelongsoran terjadi. Dalam program Plaxis metode ini disebut “Phi-c reduction”.
GEOSTUDIO Geostudio merupakan software di bidang geoteknik yang dikembangkan dari Kanada. Dalam penelitian ini program ini dipakai untuk menganalisa stabilitas lereng. Dalam menganalisa stabilitas lereng pada program ini kita menggunakan SlopeW, adapun metode yang digunakan di dalam program ini adalah Metode Limit Equilibrium. Metode Limit Equilibrium adalah metode yang menggunakan prinsip kesetimbangan gaya, metode ini juga dikenal dengan metode irisan karena bidang kelongsoran dari lereng tersebut dibagi menjadi beberapa bagian. Dalam Metode Limit Equilibrium terdapat dua asumsi bidang kelongsoran yaitu bidang kelongsorannya yang
diasumsikan berbentuk circular dan bidang kelongsoran yang diasumsikan berbentuk non-circular. Pada metode kesetimbangan batas dengan asumsi bidang kelongsoran berbentuk circular. Bidang kelongsoran yang dibagi-bagi menjadi beberapa bagian
Bidang kelongsoran berbentuk busur
Gambar 3 Metode Limit Equilibrium Circular
Bidang kelongsoran yang dibagi-bagi menjadi beberapa bagian
Bidang kelongsoran non-circular
’ Gambar 4 Metode Limit Equilibrium Non-Circular
Berbagai solusi yang berbeda untuk metode irisan telah dikembangkan selama bertahun-tahun. Pada dasarnya, semua sangat mirip. Perbedaan antara metode yang tergantung pada persamaan kesetimbangan batas dan asumsi gaya kekuatan interslice disertakan dan hubungan yang diasumsikan antara geser interslice dan kekuatan normal. Gambar 5 menggambarkan massa geser yang bekerja pada irisan dan gaya yang bekerja .Gaya normal dan geser bertindak atas dasar irisan dan di sisi irisan. b
Wn
ER
XL EL
XR l a
T P
Gambar 5 Gaya yang bekerja pada bidang irisan Metode Fellinius metupakan metode pertama yang dipublikasikan. Pada metode ini semua interslice bidang irisan diabaikan dan hanya memperhitungkan kesetimbangan momen. Berdasarkan metode ini dapat dlakukan perhitungan faktor keamanan secara manual. Kemudian Bishop (1955) memasukan gaya yang bekerja di sekitar bidang irisan diperhitungkan, tetapi hanya melakukan perhitungan dengna kesetimbangan momen. Yang menarik dan penting dengan metode ini adalah kenyataan bahwa dengan memasukkan pasukan interslice normal, faktor keamanan menjadi persamaan nonlinier dan sebuah prosedur iteratif diperlukan untuk menghitung faktor keamanan. Metode Janbu yang disederhanakan mirip dengan metode Bishop yang di Sederhana dalam hal itu termasuk gaya interslice normal dan mengabaikan kekuatan geser interslice. Perbedaan antara Bishop yang disederhana dan metode Janbu yang Sederhana adalah bahwa metode Janbu yang Sederhana memenuhi kesetimbangan gaya hanya horisontal.
Tabel 1 Kesetimbangan yang diperhitungkan pada setiap metode Method Moment Equilibrium Force Equilibrium Ordinary or Fellinius Yes No Bishop’s Simplified Yes No Janbu’s Simplified No Yes Morgenstern Price Yes Yes Spencer Yes Yes Sarma Yes Yes
(Geostudio Manual) Method Ordinary or Fellinius Bishop’s Simplified Janbu’s Simplified Morgenstern Price Spencer Sarma
Tabel 2 Gaya Interslice yang bekerja pada tiap metode Interslice Normal (E) Interslice Shear (X) Inclination of X/E Resultant adn X-E Relationship No No No Interslices Force Yes No Horizontal Yes No Horizontal Yes Yes Variable; user Function Yes Yes constant Yes Yes X=C+Etan φ
(Geostudio Manual)
METODOLOGI PENELITIAN Pendekatan penelitian Rencana tahapan penelitian ini dimulai dengan identifikasi masalah, kemudian mencari data-data yang diperlukan, yaitu segala jenis data yang diperlukan untuk menunjang proses penelitian. Data-data tersebut meliputi data hasil pengujian dan geometri desain lereng yang sudah pernah mengalami keruntuhan, data tersebut akan digunakan sebagai input untuk analisa. Setelah itu dilakuan studi literatur yang dilanjutkan dengan analisa menggunakan Metode Limit Equilibrium dan Metode Elemen Hingga. Hasil dari analisa menggunakan Metode Limit Equilibrium dan Metode elemen hingga untuk stabilitas lereng adalah faktor keamanan, kemudian faktor keamanan hasil dari analisa kedua metode tersebut dibandingkan dan dilihat metode yang lebih mendekati kondisi nyata di lapangan, kemudian dapat ditarik kesimpulan dari hasil analisa tersebut.
Gambar 6 Bagan Alir Penelitian
Korelasi – Korelasi Parameter Tanah Data tanah yang didapatkan dari hasil tes, baik dilapangan maupun pada laboratorium dalam suatu proyek tidak selalu lengkap, oleh sebab itu dibutuhkan korelasi-korelasi data tanah untuk melengkapi parameterparameter lainya untuk membantu dalam perancangan atau analisa. Pada umumnya korelasi data tanah dapat diperoleh melalui data SPT dan CPT atau dari jenis tanah pada proyek. Berikut ini merupakan korelasi-korelasi yang digunakan untuk mendapatkan parameter data tanah lainnya seperti berat jenis(γ), kuat geser undrained(cu), sudut geser(ϕ), modulus Young (E), poisson ratio(ν). Tabel 3 Nilai Poisson Ratio sesuai dengan tipe tanah Jenis Tanah
Poisson ratio
Lempung Jenuh
0.4-0.5
Lempung tidak jenuh
0.1-0,3
Lempung Berpasir
0.2-0.3
Lanau
0.3-0.35
Pasir,Batuan 0.3-0.4 (Bowles, Joseph. E., 1997) Tabel 4 Nilai Modulus Kekakuan sesuai dengan Tipe Tanah Es ksf
Mpa
Sangat Lunak
50-250
2-15
Lunak
100-500
5-25
Sedang
300-1000
15-50
Keras
1000-2000
50-100
Berpasir
500-5000
25-250
Berlanau
150-450
7-21
Lepas
200-500
10-24
Padat
1000-1700
48-81
Soil Lempung
Pasir
Pasir dan Batuan Lanau
Lepas
1000-3000
48-144
Padat
2000-4000
96-192
40-400 (Bowles, Joseph. E., 1997)
20-20
Untuk beberapa parameter dapat dikorelasikan dengan menggunakan rumus yang didapat dari penyederhanaan persamaan. Beberapa parameter yang dapat dikorelasikan untuk digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Korelasi Parameter modulus kekakuan dalam kondisi total dan efektif
2.
Korelasi untuk mendapatkan sudut geser dalam dengan parameter plastic index
HASIL PEMBAHASAN Analisa yang dilakukan pada ketiga proyek ini adalah analisa stabilitas lereng dalam kondisi undrained atau analisa jangka pendek, karena beban timbunan yang diberikan secara langsung dan seketika sehingga timbulnya tegangan air pori berlebih. Analisa stabilitas lereng yang dilakukan dengan 2 metode yaitu metode Finite Element(Plaxis 8.2) dan Limit Equilibrium(Geostudio 2007). Dalam analisa menggunakan Plaxis 8.2 terdapat 3 metode yaitu metode A, metode B,dan metode C yang digunakan sesuai dengan ketersediaan data yang akan dibahas pada proses perhitungan masing-masing kasus. Sedangkan dalam analisa menggunakan
Geostudio 2007, pemodelan kondisi undrained dilakukan dengan input material dari hasil tes dalam kondisi undrained. Analisa metode A merupakan analisa dalam tegangan efektif. Dalam analisa ini tipe perilaku material yang dipilih adalah undrained dan parameter-parameter yang dipakai sebagai input adalah parameter kuar geser efektif (c’,ϕ’, ψ’) dan kekakuan efektif (E’50,ν’). Analisa method B merupakan analisa dalam tegangan efektif. Dalam analisa ini tipe perilaku material yang dipilih adalah undrained dan parameter-parameter yang dipakai sebagai input adalah parameter kuar geser tegangan total (c=cu,ϕ=0, ψ=0) dan kekakuan efektif (E’50,ν’). Analisa method C merupakan analisa dalam tegangan efektif. Dalam analisa ini tipe perilaku material yang dipilih adalah drained dan parameter-parameter yang dipakai sebagai input adalah parameter kuar geser tegangan total (c=cu,ϕ=0, ψ=0 ) dan kekakuan total (Eu,ν=0,495). Dalam analisa menggunakan metode Limit Equilibrium dilakukan dengan program Geostudio berdasarkan metode kesetimbangan batas. Pada program ini input material yang dipakai adalah nilai kohesi undrained,berat jenis, dan sudut geser dalam kondisi undrained yaitu nol. Analisa dengan program ini dilakukan dengan metode Ordinary Bishop, Janbu, Morgenstern-Price, Sarma, Spencer. Berikut ini adalah data kasus dan parameter dari hasil tes untuk timbunan dan tanah dasar :
Kasus yang dibahas didapat dari beberapa proyek. Data tanah diperoleh berdasarkan data penyelidikan tanah di lapangan dan hasil pengujian tanah di laboratorium yang dipakai dalam proses analisa serta geometri lereng yang menyerupai kondisi aslinya. a. Percobaan Timbunan pada Lempung Lunak di Malaysia Data Timbunan Pekerjaan timbunan pada proyek ini dilakukan dalam satu tahap hingga dicapai ketinggian maksimum dari timbunan tersebut pada saat mengalami keruntuhan. Dari tinjauan di lapangan ketinggian maksimum pada saat timbunan tersebut mengalami keruntuhan adalah 5,4m dengan kemiringan lereng 1V:2H. Parameter timbunan yang digunakan dalam analisa meliputi : 1. Berat Jenis tanah timbunan : γ = 20,5 kN/m3 2. Kohesi tanah timbunan : c’ = 14 kN/m2 3. Sudut geser dalam tanah timbunan : ϕ = 31° 4. Modulus Kekakuan tanah timbunan :E50’ = 20000 kN/m2 5. Poisson ratio tanah timbunan : 0,35 Data Tanah Dasar Pekerjaan timbunan ini dilakukan di atas tanah lempung yang memiliki kecenderungan lunak. Pada proses analisa tanah dasar ditinjau hingga kedalaman 20m, dimana muka air tanah terletak disekitar 0.2-0.5 m dibawah permukaan tanah dasar. Parameter data tanah dasar yang digunakan dalam analisa didapatkan dari Atterberg Limit,Vane Test dan Unconsolidated Undrained Triaxial. Karena keterbatasan tes yang dilakukan, maka digunakan korelasi untuk beberapa parameter yang digunakan. Tabel 5menunjukkan parameter yang didapatkan untuk dipakai dalam analisa stabilitas lereng pada kasus ini secara keseluruhan. Tabel 5 Parameter Tanah Dasar Keseluruhan Pada Percobaan Timbunan pada Lempung Lunak di Malaysia Kedalaman (m) Parameter Jenis Tanah Cu c' Phi Berat Jenis Poisson Eu E' Dari Sampai (kN/m2) (kN/m2) (°) (kN/m3) Ratio (kN/m2) (kN/m2) 0
2
Crust
23
8
12,5
18
0,35
25500
22972
2
5
14
14
15
0,3
6600
5740
8
Lempung sangat lunak
16
5
22
22
7
16
0,3
8933
7768
8
11
17
9
20
16
0,3
9120
7930
11
14
23
16
17
16
0,3
6593
5733
14
20
Lempung lunak Kelanauan
28
14
21,5
16
0,3
5884
5116
b. Proyek B Data Timbunan Pekerjaan timbunan pada proyek ini dilakukan dalam 1 tahap proses dimana desain yang dibuat untuk ketinggian timbunan adalah 3m dengan kemiringan lereng pada timbunan 1V:3H, tetapi dalam kondisi lapangan timbunan tersebut dibangun setinggi 4m sehingga terjadi keruntuhan. Parameter tanah timbunan yang didapatkan dari tes laboratorium yang telah dilakukan. Parameter yang digunakan dalam analisa meliputi: 1. Berat Jenis tanah timbunan : γ = 19 kN/m3
2. 3. 4. 5.
Kohesi tanah timbunan : c’ = 0 kN/m2 (nilai kohesi di asumsikan 0 karena jenis tanah yang digunakan sebagai material timbunan adalah pasir) Sudut geser dalam tanah timbunan : ϕ = 36°, didapat dari korelasi nilai PI dengan phi Modulus Kekakuan tanah timbunan :E50’ = 20000 kN/m2 Poisson ratio tanah timbunan : 0,35
Data Tanah Dasar Pekerjaan timbunan ini dilakukan pada tanah yang cenderung lunak sampai kedalaman tertentu. Parameter yang digunakan dalam analisa ini didapakan dari hasil tes tanah baik di laboratorium atau di lapangan. Letak muka air tanah berada di antara 0.2-0.5m dibawah permukaan tanah dasar. Jenis tanah dasar adalah lempung kelanauan.Tes yang dilakukan untuk pengambilan parameter yang akan digunakan dalam analisa adalah atterberg limit, kompaksi, Triaxial test, dan Unconfined Compression Test. Tabel 6 menunjukkan data parameter tanah dasar yang dipakai dalam analisa secara keseluruhan.
Kedalaman(m) Dari
Sampai
0
2
2
4
4
8
8
12
Tabel 6 Parameter Tanah Dasar Keseluruhan pada Proyek B Parameter Jenis Tanah Cu Phi Berat Poisson (kN/m2) (°) Jenis(kN/m3) Ratio Lempung Kelanauan
14,8
0,3
Eu (kN/m2)
E' (kN/m2)
1200
1043,478
9
0
16
0
16
0,3
1750
1521,739
28
0
17,5
0,3
2500
2173,913
12
0
16,5
0,3
8000
6956,522
Nilai sudut geser dalam pada parameter tanah diatas dimasukan nilai nol. Karena tes yang dilakukan untuk kuat geser tanah adalah tes dalam kondisi undrained yaitu Unconfined Compression Test dan Unconsolidated Undrained Triaxial Test dimana kondisi tanah jenuh sehingga nilai dari sudut geser dalam tersebut adalah nol. Parameter modulus kekakuan efektif didapatkan dari korelasi antara modulus kekakuan dalam kondisi undrained dengan modulus kekakuan efektif. c. Percobaan Timbunan Rio de Janeiro Data Timbunan Pekerjaan timbunan pada proyek ini dilakukan dalam satu tahap hingga dicapai ketinggian maksimum dari timbunan tersebut pada saat mengalami keruntuhan. Dari tinjauan di lapangan ketinggian pada ketinggian 2,5m sudah terjadi keretakan dalam timbunan tersebut hingga mencapai keruntuhan pada tinggi 3.1m dengan kemiringan lereng 1V:2H. Parameter timbunan yang digunakan dalam analisa meliputi : 1. Berat Jenis tanah timbunan : γ = 18 kN/m3 2. Kohesi tanah timbunan : c’ = 10 kN/m2 3. Sudut geser dalam tanah timbunan : ϕ = 35° 4. Modulus Kekakuan tanah timbunan :E50’ = 20000 kN/m2 5. Poisson ratio tanah timbunan : 0,35 Data Tanah Dasar Pekerjaan timbunan ini dilakukan pada tanah dengan kondisi lunak dengan jenis tanah lempung, dimana letak muka air tanah berada di antara 0,2-0,5m di bawah permukaan tanah dasar. Parameter yang ada, didapatkan dari hasil tes uji laborartorium. Tanah dasar yang ditinjau sampai dengan kedalaman 10m dari permukaan tanah dasar. Tabel 7 Parameter Tanah Dasar Keseluruhan pada Percobaan Timbunan Rio de Janeiro Kedalaman (m) Parameter Jenis Tanah Cu Phi Eu Dari Sampai (kN/m2) (°) Berat Jenis (kN/m3) Poisson Ratio (kN/m2) 0
2,5
2,5
5
5
10
Crust Lempung lunak
E' (kN/m2)
10
0
13,2
0,35
10000
9009
8
0
13,2
0,3
5000
4348
12
0
13,2
0,3
5000
4348
Nilai sudut geser dalam pada parameter tanah diatas dimasukan nilai nol, karena tes yang dilakukan adalah tes dalam kondisi undrained, sehingga tanah tersebut diasumsikan jenuh dan nilai sudut geser dalamnya nol.
Dari hasil perhitungan analisa stabilitas lereng pada kondisi ketinggian aktual pada saat mengalami keruntuhan dengan menggunakan program Geostudio 2007 dan Plaxis 2D versi 8.2 dengan hasil yang di dapat untuk ke 3 proyek tersebut adalah sebagai berikut : Tabel 8 Rangkuman Hasil Faktor Keamanan Faktor Keamanan
Metode Proyek Malaysia
Proyek B
Proyek Rio de Janeiro
Plaxis A
≤1 (Runtuh)
-
-
Plaxis B
≤1 (Runtuh)
1,2
1,16
Plaxis C
≤1 (Runtuh)
1,2
1,16
Ordinary
1,05
1,11
1,26
Bishop
1,05
1,22
1,26
Janbu
0,93
1,24
1,09
Morgenstern-Price
0,975
1,17
1,1
Spencer
0,971
1,17
1,08
Sarma
0,963
1,1
1,13
Dari hasil faktor keamanan yang dianalisa, tidak didapatkan nilai pasti dari faktor keamanan pada saat runtuh, maka dilakukan pendekatan untuk mendapatkan nilai dari faktor keamanan pada saat runtuh. Jika nilai pada saat runtuh proyek Timbunan di Malaysia pada metode A,B dan C dari hasil pendekatan pada Plaxis didapatkan mendekati 1(metode A = 0,94;metode B = 0,96;metode C =0,96) ,.maka rata-rata dari masingmasing tiap proyek dengan presentasi perbedaan antara metode Limit Equilibrium dan Finite Element ditampilkan pada tabel 9 yang dihitung dengan cara mencari selisih antara kedua nilai faktor keamanan kemudian dibagi dengan nilai faktor keamanan yang lebih besar dan dikalikan dengan persen. Tabel 9 Persentase Perbedaan Faktor Keamanan Metode Limit Equilibrium
Finite Element
% Perbedaan
Timbunan Malaysia
0.99
0,96
3
Proyek B
1.17
1.2
2.5
Timbunan Rio de Janeiro
1.15
1.16
0.86
Proyek
Dilihat dari hasil perbandingan terdapat perbedaan dalam hasil nilai faktor keamanan, perbedaan tersebut dipengaruhi oleh konsep dasar perhitungan yang dipakai dalam perhitungan masing-masing metode dimana pada metode Limit Equilibrium memiliki banyak asumsi gaya yang bekerja dan perbedaan yang timbul antara metode Limit Equilibrium diakibatkan oleh asumsi gaya yang bekerja dari tiap masing-masing metode memiliki perbedaan, sedangkan pada metode Finite Element menganalisa berdasarkan pengurangan parameter kuat geser yang direduksi hingga mencapai keruntuhan. Dilihat dari hasil antara 2 metode ini nilai faktor keamanan yang dikeluarkan cenderung memiliki nilai yang sama dengan persentase perbedaaan yang kecil dan pengaruhnya sangat kecil. Prediksi Tinggi Timbunan pada saat Runtuh Dari hasil analisa pada ketiga proyek untuk memprediksikan ketinggian pada saat mengalami kelongsoran dengan program Plaxis 2D versi 8.2 dan Geostudio 2007 pada pengolahan data ditunjukan pada tabel 10. Hal ini perlu dilakukan untuk mengetahui hubungan dari faktor keamanan terhadap kondisi ketinggian timbunan dalam kondisi lapangan Tabel 10 Rangkuman Prediksi Tinggi pada saat Longsor Prediksi tinggi keruntuhan
Metode Proyek Malaysia
Proyek B
Proyek Rio de Janeiro
Plaxis A
4,4 m
-
-
Plaxis B
5,1 m
3,9 m
2,9 m
Plaxis C
5,05 m
3,9 m
2,8 m
Ordinary
5,4 m
3,9 m
3,1 m
Bishop
5,4 m
4,2 m
3,1 m
Janbu
5m
2m
2,6 m
Morgenstern-Price
5,2 m
2,8 m
2,7 m
Spencer
5,1 m
3,8 m
2,7 m
Sarma
5,1 m
3,8 m
2,8 m
Aktual
5,4 m
4m
2,5m
Hasil analisa prediksi ketinggian ini didapatkan dengan cara mencoba ketinggian tertentu hingga didapatkan ketinggian dengan nilai faktor keamanan yang mendekati angka 1 dan hasil yang dikeluarkan pada prediksi ini akan sama dengan hasil yang dikeluarkan pada perbandingan faktor keamanan. Dari hasil perhitungan untuk prediksi ketinggian di dapatkan bahwa nilai prediksi dari masing-masing metode, memiliki kesamaan prediksi yang jaraknya cukup dekat antara Limit Equilibrium dan Finite Element kondisi aktual tinggi keruntuhan. Perbedaan prediksi ketinggian yang dihasilkan dari kedua metode cenderung kecil nilainya. Pola Keruntuhan Perbandingan pola keruntuhan tiap kasus yang dipakai dalam analisa antara metode Limit Equilibrium dengan Finite Element untuk dilihat dan dibandingkan dimasukan kedalam 1 gambar. Janbu,Morgenstern-Price,Spencer,Sarma Elev +5,4m
Metode A Ordinary,Bishop,Metode B, Metode C
Elev 0m Elev -2m Elev -5m Elev -8m Elev -11m Elev -14m
Elev -20m
Gambar 7 Perbandingan Pola Keruntuhan Proyek Percobaan Timbunan pada Lempung Lunak di Malaysia Hasil perbandingan untuk Proyek Timbunan di Malaysia menunjukkan bahwa metode A memilik perbedaan pola kelongsoran dikarenakan pada metode ini memiliki input yang berbeda untuk analisa stabilitas lereng, dimana input parameternya menggunakan parameter efektif sehingga pola keruntuhan yang dihasilkanpun berbeda dengan metode B dan C serta Limit Equilibrium yang memakai parameter total sebagai input material. Metode B dan C memiliki pola keruntuhan yang cenderung sama dengan metode Limit Equilibrium. Metode B, Metode C, Ordinary, Bishop Elev +3 m Janbu, Morgenstern-Price, Spencer, Sarma Elev 0 m Elev -2 m Elev -4 m
Elev -8 m
Elev -12 m
Gambar 8 Perbandingan Pola Keruntuhan pada Proyek B Pada kasus ini, bidang kelongsoran pada kedua metode cenderung memiliki bentuk dan besaran yang sama, hanya terdapat perbedaan karena asumsi bidang kelongsoran circular dan non-circular yang membedakan
bentuk tersebut, sedangkan untuk Plaxis metode B dan C memiliki kecenderungan bentuk yang sama dengan metode Ordinary dan Bishop. Ordinary, Bishop Janbu, Morgenstern-Price, Spencer, Sarma Metode B, Metode C Elev +2.5 m
Elev 0 m Elev -2.5 m Elev -5 m
Elev -10 m
Gambar 9 Perbandingan Pola keruntuhan pada Percobaan Timbunan Rio de Janeiro Pada kasus yang ketiga, bidang kelongsoran memiliki pola yang mirip. Pada gambar diatas dapat dilihat Plaxis mengeluarkan bidang kelongsoran yang lebih sempit karena pada Plaxis bidang kelongsoran dihasilkan oleh deformasi yang terjadi akibat tegangan yang terjadi, pada Plaxis bidang kelongsoran dilihat berdasarkan warna yang keluar, dimana penulis memasukan pola keruntuhan yang kritis. Sedangkan pada Metode Limit Equilibrium bidang kelongsoran diasumsikan diawal sebagai acuan bidang gaya yang bekerja.
KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah : • Hasil perbandingan faktor keamanan antara metode Limit Equilibrium dan Finite Element dari hasil analisa pada penelitian ini memilki persentase perbedaan terbesar sebesar 3%. • Prediksi ketinggian pada saat runtuh antara metode Limit Equilibrium dan Finite Element dengan kondisi aktual memiliki kesamaan secara keseluruhan dari proyek analisa yang dilakukan pada ke 3 proyek antara analisa dengan kondisi aktual di lapangan. Pola kelongsoran yang dihasilkan antara kedua metode memiliki kecenderungan yang sama. • Baik metode Limit Equilibrium maupun Finite Element dapat dipakai dalam praktik. • Metode Finite Element memiliki kelebihan yang mana pada metode Limit Equilibrium hanya mengeluarkan nilai faktor keamanan, sedangkan dalam Finite Element deformasi dapat diketahui, sehingga dapat membantu dalam memprediksikan keruntuhan. SARAN Guna menambah analisa yang lebih lengkap dari penelitian maka saran penulis pada penelitian selanjutnya adalah • Diperlukan analisa dengan menggunakan faktor gempa. • Pada penelitian selanjutnya diperlukan analisa dengan menggunakan faktor gempa. • Perlu dilakukan penelitian dengan model tanah selain model Mohr Coulomb. • Pada penelitian selanjutnya diperlukan jumlah data yang lebih banyak sehingga didapatkan hasil dengan keakuratan yang lebih baik
DAFTAR PUSTAKA Prediction of Behaviour of a test Embankment on Malaysian Marine Clay. (1989). International Symposium on Trial Embankment on Malaysian Marine Clay (hal. 1-8). Kuala Lumpur: The Malaysian Highway Authority. Albataineh, N. (2006). Slope Stability Analysis using 2D and 3D Methods. Ohio: University of Akron. Arif, M., & Widodo, A. (2008). Analisa Balik Kelongosran(Studi Kasus diJember). Surabaya: Jurusan Teknik Sipil ITS. Bishop, A. W. (1955). The use of the slip circle in the stability analysis of slopes. Geotechnique, 7-17. Bowles, J. E. (1985). Sifat-Sifat Fisis dan Geoteknis Tanah (2nd ed.). Jakarta: Erlangga. Bowles, J. E. (1997). Foundation Analysis and Design. Singapore: McGraw-Hill. Craig, R. F. (1989). Mekanika Tanah (4th ed.). Jakarta: Erlangga.
Das, B. M. (1997). Advance Soil Mechanic. Sacramento: Taylor and Francis. Das, B. M. (1998). Principles of Geotechnical Engineering. Sacramento: PWS Pumblishing Company. E.Spencer.M.sc.Tech. (1967). A Method of Analysis of the Stability of Embankments Asumming Parallel Interslice Force. Geotechnique, 11-26. Gouw, T.L.(2010). Computational Geotechnical Course K., S. S. (1973). Stability analysis of embankments and slopes. Geotechnique, 429-433. Morgenstern, R. N., & Price, V. E. (1965). The analysis of the stability of general slip surfaces. Geotechnique, 79-93. Muljadihardja, D., Permana, H., & Epriliansyah, F. (2008). Kompetensi Pemantaun Kestabilitas Lereng. Bandung: Universitas Padjadjaran. PLAXIS b.v (2002), Plaxis Version 8 Manual. A.A. Balkema Publishers; Netherlands Romalho-Ortiago, J. A., Werncek, M. L., & Lacerda, W. A. (1983). Embankment Failure on Clay near Rio de Janeiro. Journal of Geotechnical Engineering, 1460-1479. Terzaghi, K., & Peck, R. B. (1993). Mekanika Tanah dalam Praktek Rekayasa (2nd ed., Vol. I). Jakarta: Erlangga.
RIWAYAT PENULIS Nama
: Dave Juven George Herman
Tempat/tanggal Lahir
: Bogor 8 Oktober 1990
Pendidikan
: Teknik Sipil Binus University
ANALISA STABILITAS LERENG DENGAN LIMIT EQUILIBRIUM DAN FINITE ELEMENT METHOD Dave Juven George Herman, Ir. GOUW Tjie Liong, M.Eng, ChFC Binus University, jl.KH.Syahdan no.9,
[email protected]
ABSTRACT Any construction activity requires a analyzes to support the passage of a construction job. slope stability analysis should be performed, since almost every construction job will involve making such slope excavation, embankment and construction on the natural slopes. The method used in slope stability analysis in general is a method of Limit Equilibrium and Finite Element. This method has the distinction of the concept in which the calculation method based on the concept of equilibrium Limit Equilibrium and Finite Element boundaries by Shear Strength Reduction theory. The results of the slope stability analysis is expressed in the safety factor. In this research, analysis of a condition in which the slope of the data used in the analysis is a landslide slope data, and then analyzes the results of both methods are compared and conclusions drawn which method is closer to the real condition in the field. From the analysis it was found that the value of safety factor, the predicted collapse, collapse pattern of both methods have a tendency similar results where the percentage difference from the results of the analysis of the largest was 3%. Keyword : Stability,Slope, Limit Equilibrium, Finite Element
INTRODUCTION Development and infrastructure demands are high during this period and the development also occurs in all forms of land surfaces to achieve the effective use of land. As time, geotechnical problems in the world more and more, and this was followed by the development of methods that continue to be improved in order to get better analysis results. One analysis in the geotechnical field that continues to grow is the analysis of slope stability. The importance of this analysis is done because of the development is done on the slopes and the problems arising from the development on the slopes is a catastrophic landslide. Slope stability analysis are expressed in factor of safety. In general slope stability analysis methods used there are 2 Limit Equilibrium Method and the Finite Element Method. Analysis of slope stability Limit Equilibrium Method with safety factor derived from the ratio of the shear strength with shear encouragement and slope stability analysis with Finite Element Method comparison between the values obtained from the soil cohesion cohesion compared with the value of land in the reduction and tangential friction angle compared to the value of land tangential angle at the reduction of land sliding. Therefore we need an analysis of the two methods and the results will be compared with the actual conditions in the field. The purpose of this study was to analyze the stability of slopes by Limit Equilibrium Method and the Finite Element Method with field data and compared with the conditions in the field where a slope collapse (safety factor value close to 1), and will get the method that most closely analyzes the conditions on the ground. The benefit of this study is to provide a reference for the selection of slope stability analysis method with results closer to the real conditions on the ground. In this research to facilitate the analysis carried out with the help of Geostudio 2007 for methods Plaxis 2D Limit Equilibrium and Finite Element version 8.2 for. In this study, the data used is the data heap.
Research conducted only reviewing the comparison of the value of the safety factor, collapsed height prediction, and collapse patterns generated by both methods
Slope Slope is a soil surface that is open, which stand in a certain angle to the horizontal axis, or it can be said is that the surface soil slope that has two different elevations where the soil surface is at an angle. Of the process of formation, a slope can be naturally-occurring and man-made. What is meant by the natural slope is the slope formed by natural processes without human intervention, while the artificial slope is the slope created by humans as a result of an excavation slopes and slopes due to deposition.
Figure 1 Slope
The difference in elevation of the land surface such as slope movement of soil mass can result from a high elevation areas towards areas with lower elevations, these movements caused by gravity. The movement of the soil mass can also be influenced by water and earthquake forces. Movement or style will generate shear force serves as a barrier and when the weight of the soil mass that works as a driving force is greater than the shear stress it will cause landslide.
Slope Stability A slope is stable if the slope is not experiencing catastrophic landslide. The factors that cause ketidakstabilitas slopes can be generally classified as follows: 1. The factors that cause a rise in tension is rising because of wetting the soil unit weight, the addition of external loads, increasing the steepness of the slope due to natural erosion or excavation and working of earthquake loads. 2. The factors that cause a decrease in strength; include water absorption, increase in pore water pressure, shock loads or repetitive loads, the effect of freezing and thawing, the loss of cementation material, weathering processes and excessive strain on the sensitive clay 3. PLAXIS
PLAXIS is a program in the field of geotechnical engineering using Finite Element Method to geotechnical applications where land use models to simulate the behavior of the soil. Development of PLAXIS began in 1987 at the University of Delft (Delft University of Technology) at the initiative of the Ministry of Manpower and Management of Water Resources Netherlands (Dutch Department of Public Works and Water Management / Rijkswaterstaat). The initial goal of creating PLAXIS program is to create a computer program based on two-dimensional Finite Element Method is easy to use to analyze embankments built on soft soil in the lowlands in the Netherlands. In subsequent years, PLAXIS developed further to cover nearly all aspects of geotechnical planning another. Mechanical behavior of the soil can be modeled dispose of different types of modes. Modelling midvoltage relationship of the simplest is the linear Hooke's law modeling, isotropic elasticity, which requires only two inputs, namely Young's modulus (E) and Poisson ratio (ν). With linear modeling results obtained are too large for use in modeling. Therefore, there is a wide range of modeling the mechanical properties of the material in the program Plaxis, the Mohr Coulomb model, Jointed Rock model, Hardening Soil model, Soft Soil Creep Model and Soft Soil model. In modeling Mohr Coulomb material models are 5 parameters that need to be entered ie elasticity modulus (E) and the Poisson ratio ν for soil elasticity, friction angle (φ) and cohesion (c) for soil plasticity and ψ for dilatansi ground. Mohr Coulomb modeling approach approaching the mechanical behavior of the soil.
Figure Error! No text of specified style in document. Mohr-Coulomb Modeling
n the Mohr Coulomb model each layer is estimated to have an average stiffness constant, due to the constant stiffness calculations in the program will be faster and can produce an estimate of the deformation of the calculation. For the other models are not addressed in this study because it is not used in the analysis. One is planning geotechnical slope stability analysis. In Plaxis slope stability analysis using the Shear Strength Reduction Finite Element Method-ie by reducing the safety factor calculation parameters that affect the soil shear strength values of cohesion and friction angle soil. So the safety factor of slope stability based method becomes
dan
In this method, the soil shear strength parameters obtained from the calculation results with the original soil parameters will be automatically reduced to a line tangent denghan collapse loads are so landslide occurred. In this method Plaxis program called "Phi-c reduction
GEOSTUDIO eostudio is a software developed in the field of geotechnical engineering from Canada. In this research program used to analyze the stability of the slope. In analyzing the stability of slopes in this program we use SlopeW, while the methods used in the program is the Limit Equilibrium Method. Limit Equilibrium Method is a method that uses the principle of force equilibrium, this method is also known as the method of slices because of the slope failed field is divided into several sections. In this method there are two assumptions Limit Equilibrium failed pattern that are assumed failed circular shape and are assumed noncircular shape. In the limit equilibrium method assuming a circular shape field. Bidang kelongsoran yang dibagi-bagi menjadi beberapa bagian
Bidang kelongsoran berbentuk busur
Figure 3 Limit Equilibrium Circular Method
Bidang kelongsoran yang dibagi-bagi menjadi beberapa bagian
Bidang kelongsoran non-circular
’ Figure 4 Limit Equilibrium Non-Circular Method Many different solution techniques for the method of slices have been developed over the years. Basically, all are very similar. The differences between the methods are depending on: what equations of statics are included and satisfied and which interslice forces are included and what is the assumed relationship between the interslice shear and normal forces? Figure 5 illustrates a typical sliding mass discretized into slices and the possible forces on the slice. Normal and shear forces act on the slice base and on the slice sides. b
Wn
ER
XL EL
XR l a
T P
Figure 5 Slice discretization and slice forces in a sliding mass The Ordinary, or Fellenius method was the first method developed. The method ignored all interslice forces and satisfied only moment equilibrium. Adopting these simplified assumptions made it possible to compute a factor of safety using hand calculations, which was important since there were no computers available. Later Bishop (1955) devised a scheme that included interslice normal forces, but ignored the interslice shear forces. Again, Bishop’s Simplified method satisfies only moment equilibrium. Of interest and significance with this method is the fact that by including the normal interslice forces, the factor of safety equation became nonlinear and an iterative procedure was required to calculate the factor of safety. The Janbu’s Simplified method is similar to the Bishop’s Simplified method in that it includes the normal interslice forces and ignores the interslice shear forces. The difference between the Bishop’s Simplified and Janbu’s Simplified methods is that the Janbu’s Simplified method satisfies only horizontal force equilibrium, as opposed to moment equilibrium. Table 1 Slice discretization and slice forces in a sliding mass Method Moment Equilibrium Ordinary or Fellinius Yes Bishop’s Simplified Yes Janbu’s Simplified No Morgenstern Price Yes Spencer Yes Sarma Yes
(Geostudio Manual)
Force Equilibrium No No Yes Yes Yes Yes
Table 2 Interslice Force Characteristic and relationships Method Interslice Normal (E) Interslice Shear (X) Ordinary or Fellinius Bishop’s Simplified Janbu’s Simplified Morgenstern Price Spencer Sarma
No Yes Yes Yes Yes Yes
No No No Yes Yes Yes
Inclination of X/E Resultant adn X-E Relationship No Interslices Force Horizontal Horizontal Variable; user Function constant X=C+Etan φ
(Geostudio Manual)
RESEARCH METHODOLOGY The research approach Plan phase of this study began with the identification of the problem, and then find the data needed, ie any kind of data needed to support the research process. Such data includes the data of the test and design slope geometry that has been breaking down, the data will be used as input for the analysis. Once that was done, followed by literature analysis using Limit Equilibrium Method and the Finite Element Method. The results of the analysis using Limit Equilibrium Method and finite element method for slope stability is the safety factor, then the factor of safety results of the analysis of these two methods were compared and seen methods closer to the real conditions on the ground, then it can be deduced from the results of the analysis.
Figure 6 Flow Chart of the Study
Correlation - Correlation of Soil Parameters Data were obtained from soil test results, both in the field and in the laboratory in a project is not necessarily complete, and therefore the correlations of data needed to complete land other parameters to help in the design or analysis. In general, soil data correlation can be obtained through the data from the SPT and CPT or soil type on the project. The following are the correlations are used to obtain parameters such as soil density (γ), undrained shear strength (cu), friction angle (φ), Young's modulus (E), Poisson ratio (ν).
Table 3 Poisson ratio values according to the type of soil Soil type
Poisson ratio
Saturated clay
0.4-0.5
Unsaturated clay
0.1-0,3
Sandy clay
0.2-0.3
solt
0.3-0.35
Sand,Gravel 0.3-0.4 (Bowles, Joseph. E., 1997) Table 4 Stiffness Modulus values according to the type of soil Es ksf
Soil Clay
Sand
Sand and Gravel Silt
Mpa
Very soft
50-250
2-15
soft
100-500
5-25
fine
300-1000
15-50
stiff
1000-2000
50-100
sandy
500-5000
25-250
Silty
150-450
7-21
Loose
200-500
10-24
Dense
1000-1700
48-81
Loose
1000-3000
48-144
Dense
2000-4000
96-192
40-400 (Bowles, Joseph. E., 1997)
20-20
For some parameters can be correlated by using the formula derived from the simplification of the equation. Some parameters can be correlated for use in this study are as follows: 1. Parameter Correlation stiffness modulus in a state of total and effective
2.
Correlation between friction angle with plastic index
RESULT Analysis carried out in this project is the analysis of the three slope stability analysis under undrained or short term, as the weight given heap directly and immediately so that the incidence of excess pore water tension. Slope stability analysis performed by two methods: Finite Element method (Plaxis 8.2) and Limit Equilibrium (Geostudio 2007). In the analysis using Plaxis 8.2, there are 3 methods: method A, method B and method C is used according to the availability of data that will be discussed in the calculation of each case. While the analysis using Geostudio 2007, modeling undrained conditions do with the input material of the test results in undrained conditions. A method of analysis is an analysis of the effective stress. In this analysis, the type of behavior of the selected material is undrained and parameters are used as input parameters effective shear probe (c ', φ', ψ ') and the effective stiffness (E'50, ν'). Analysis method B is an analysis of the effective stress. In this analysis, the type of behavior of the selected material is undrained and parameters are used as input parameter probe total shear stress (c = cu, φ = 0, ψ = 0) and the effective stiffness (E'50, ν '). Analysis method C is the effective stress analysis. In this analysis of the selected type of material behavior is drained and the parameters are used as input parameter probe total shear stress (c = cu, φ = 0, ψ = 0) and the total stiffness (Eu, ν = 0.495).
In the analysis using Limit Equilibrium done Geostudio program based limit equilibrium method. In this program material input used is the value of undrained cohesion, density, and angle of shearing in undrained condition is zero. Analysis of the program was conducted by the method of Bishop Ordinary, Janbu, Morgenstern-Price, Sarma, Spencer. Here is a case data and parameters of the test results for the pile and the soil foundation: Cases discussed come from several projects. Soil data based on the data obtained in the field soil investigation and soil test results in the laboratory and used in the analysis of slope geometry resembling its real condition. a. Trial Embankment on Malaysian Marine Clay Embankment This embankment was build in one stage untill to achieve the maximum height, and the embankment collapse when the height reach 5,4m with slope angle 1V:2H. The paraneter use in this analysis : 1. Unit Weight: γ = 20,5 kN/m3 2. cohesion: c’ = 14 kN/m2 3. Sudut geser dalam tanah timbunan : ϕ = 31° 4. Modulus Kekakuan tanah timbunan :E50’ = 20000 kN/m2 5. Poisson ratio tanah timbunan : 0,35 Soil Data The work is done in heaps on the ground who have a tendency to soft clay. On the basis of the analysis in terms of land to a depth of 20m, where the ground water is around 0.2-0.5 m below the surface of the land base. Parameters of the basic soil data used in the analysis obtained from Atterberg Limits, Vane and unconsolidated undrained Triaxial Test. Due to the limitations of the tests performed, we use the correlation to several parameters that are used. Table 5 shows the parameters obtained for use in the analysis of slope stability in the case as a whole..
Depth (m)
Table 5 Soil Data Trial Embankment on Malaysian Marine Clay Parameter Soil Type Cu c' Phi Unit Weight Poisson (kN/m2) (kN/m2) (°) (kN/m3) Ratio
Eu (kN/m2)
E' (kN/m2)
0,35
25500
22972
15
0,3
6600
5740
16
0,3
8933
7768
20
16
0,3
9120
7930
16
17
16
0,3
6593
5733
14
21,5
16
0,3
5884
5116
From
To
0
2
Crust
23
8
12,5
18
2
5
14
14
8
Very Soft Clay
16
5
22
22
7
8
11
17
9
11
14
23
14
20
28
Soft Silty Clay
b. Project B Embankment Embankment Work on the project is carried out in the first stage of the process where the design is made for embankment height is 3m with the embankment slope 1V: 3H, but under field conditions is built as high as 4m embankment, causing the collapse. Embankment parameters obtained from laboratory tests that have been done. The parameters used in the analysis include: 1. Unit Weight : γ = 19 kN/m3 2. Cohession : c’ = 0 kN/m2 3. Angle of friction : ϕ = 36° 4. Modulus of Stiffness :E50’ = 20000 kN/m2 5. Poisson ratio : 0,35 Soil Data The work was carried out on soil heap that tend to soft to a certain depth. The parameters used in this analysis is obtained from the soil test results either in the laboratory or in the field. The layout of the ground water is between 0.2-0.5m below ground level foundation. The soil type is a clay base kelanauan.Tes done to capture the parameters to be used in the analysis is the Atterberg limits, compaction, Triaxial test, and Unconfined Compression Test. Table 6 shows the data base of soil parameters used in the analysis
Depth(m) From
To
0
2
2
4
Soil Type
Silty Clay
Table 6 Soil Data on Project B Parameter Cu Phi Unit Weight Poisson (kN/m2) (°) (kN/m3) Ratio
Eu (kN/m2)
E' (kN/m2)
9
0
14,8
0,3
1200
1043,478
16
0
16
0,3
1750
1521,739
4
8
28
0
17,5
0,3
2500
2173,913
8
12
12
0
16,5
0,3
8000
6956,522
Friction angle values in the parameters entered above ground zero. Because the tests conducted for the soil shear strength test is undrained conditions are Unconfined Compression Test and unconsolidated undrained Triaxial Test where saturated soil conditions so the value of the shear angle is zero. Effective stiffness modulus parameters obtained from the correlation between the stiffness modulus in undrained conditions with the effective stiffness modulus. c. Trial Embankment Rio de Janeiro Embankment Embankment Work on the project is done in one step to achieve maximum height of the embankment at the time of collapse. From a review in the field at a height of 2.5 m height are cracks in the embankment up to the collapse of the 3.1m high with a slope of 1V: 2H. Embankment parameters used in the analysis include: 1. Unit Weight : γ = 18 kN/m3 2. Cohession : c’ = 10 kN/m2 3. Angle of friction : ϕ = 35° 4. Modulus of stiffness :E50’ = 20000 kN/m2 5. Poisson ratio : 0,35 Soil Data The work was carried out on the soil embankment with soft conditions with the type of clay, where the location of the ground water is between from 0.2 to 0.5 m below ground level foundation. Existing parameters, the test results obtained from test laborartorium. Subgrade were reviewed up to a depth of 10m from ground level foundation . Table 7 Soil Data Trial Embankment Rio de Janeiro Depth (m) Parameter Soil Type Cu Phi Unit Weight Poisson Eu E' From To (kN/m2) (°) (kN/m3) Ratio (kN/m2) (kN/m2) 0
2,5
2,5
5
5
10
Crust Sofy Clay
10
0
13,2
0,35
10000
9009
8
0
13,2
0,3
5000
4348
12
0
13,2
0,3
5000
4348
Shear angle values in the parameters entered above ground zero, as the test is a test in undrained conditions, so that the soil is assumed to be saturated and the value it zero friction angle. From the calculation of slope stability analysis on the condition of the actual height when using the program collapse Geostudio 2007 and Plaxis 2D version 8.2 with the results in the can for the 3 projects are as follows: Table 8 Overall Safety Factor Safety Factor
Method Project Malaysia
Project B
Project Rio de Janeiro
Plaxis A
≤1 (Failed)
-
-
Plaxis B
≤1 (Failed)
1,2
1,16
Plaxis C
≤1 (Failed)
1,2
1,16
Ordinary
1,05
1,11
1,26
Bishop
1,05
1,22
1,26
Janbu
0,93
1,24
1,09
Morgenstern-Price
0,975
1,17
1,1
Spencer
0,971
1,17
1,08
Sarma
0,963
1,1
1,13
From the results of the safety factor in the analysis, the value obtained is not sure of the safety factor at the time of collapse, the approaches to obtain the value of the safety factor at the time of collapse. If the value at the time the project collapsed Stockpiles in Malaysia in methods A, B and C of the Plaxis approach results obtained near 1 (method A = 0.94; method B = 0.96; method C = 0.96),. Then the average the average of each project with a presentation by the difference between the methods of Limit Equilibrium and Finite Element shown in the table 9 are calculated by finding the difference between the two values is then divided by a safety factor value greater safety factor and multiplied by percent. Table 9 Percentage difference Safety Factor Method Limit Equilibrium
Finite Element
% Difference
Malaysian Embankment
0.99
0,96
3
ProjectB
1.17
1.2
2.5
Embankment Rio de Janeiro
1.15
1.16
0.86
Project
Judging from the comparison of the differences in outcome value of the safety factor, the difference is influenced by the concepts of basic calculations used in the calculation of each method whereby the Limit Equilibrium method has many styles that work assumptions and differences arising between Limit Equilibrium method forces caused by the assumption the work of each individual has a different method, while in the Finite Element analysis method based on the reduction of shear strength parameters are reduced up to the collapse. Judging from the results between the two methods is the value of the safety factor incurred tend to have the same value with the percentage differences are small and the effect is very small. Height Prediction Embankment at Collapses From the analysis of the three projects to predict the height of the current experience with the program Plaxis 2D version 8.2 and Geostudio 2007 on the processing of the data shown in table 10. This needs to be done to determine the relationship of the safety factor of the condition of pile height in field conditions Table 10 Height Prediction embankment at Collapses Height Prediction at Collapses
Method
Project Malaysia
Project B
Project Rio de Janeiro
Plaxis A
4,4 m
-
-
Plaxis B
5,1 m
3,9 m
2,9 m
Plaxis C
5,05 m
3,9 m
2,8 m
Ordinary
5,4 m
3,9 m
3,1 m
Bishop
5,4 m
4,2 m
3,1 m
Janbu
5m
2m
2,6 m
Morgenstern-Price
5,2 m
2,8 m
2,7 m
Spencer
5,1 m
3,8 m
2,7 m
Sarma
5,1 m
3,8 m
2,8 m
Actual
5,4 m
4m
2,5m
Results of analysis of height prediction is obtained by way of trying to obtain a certain height to height safety factor value close to 1 and the results will be issued on the same prediction results issued on the comparison factor of safety. From the results of the calculation to get the height prediction that the predictive value of each method, a common prediction that it was quite close to the Limit Equilibrium and Finite Element high actual condition of collapse. The difference in height predictions resulting from both methods tend to be of little value.
Collapse Pattern Comparison of pattern collapse in each case used the method of Limit Equilibrium analysis with Finite Element to be seen and compared to input into one image. Janbu,Morgenstern-Price,Spencer,Sarma Elev +5,4m
Metode A Ordinary,Bishop,Metode B, Metode C
Elev 0m Elev -2m Elev -5m Elev -8m Elev -11m Elev -14m
Elev -20m . Figure 7 Pattern Collapse Comparison Experiment Project embankment on Malaysia Marine Clay
The results of the comparison for the embankment project in Malaysia showed that the method A pick different patterns because the method has different input for slope stability analysis, where the input parameters using effective parameters so that the pattern collapse dihasilkanpun different methods B and C as well as taking Limit Equilibrium total parameters as input material. Methods B and C have the same pattern that tends to collapse the Limit Equilibrium method.
Metode B, Metode C, Ordinary, Bishop Elev +3 m Janbu, Morgenstern-Price, Spencer, Sarma Elev 0 m Elev -2 m Elev -4 m
Elev -8 m
Elev -12 m
Figure 8 Pattern Collapse Comparisson on Project B
In this case, the field of catastrophic landslide on both methods tend to have the same shape and size, there is a difference just because the failed assumptions field circular and non-circular shape that distinguishes it, while for Plaxis method B and C have the same general trend with the method of Ordinary and Bishop.
Ordinary, Bishop Janbu, Morgenstern-Price, Spencer, Sarma Metode B, Metode C Elev +2.5 m
Elev 0 m Elev -2.5 m Elev -5 m
Elev -10 m
Figure 9 Pattern Collapse Comparisson on trial Embankment Rio de Janeiro n the third case, the field collapse to similar patterns. In the picture above can be seen Plaxis issued kelongsoran a narrower field for the Plaxis deformation field produced by landslide caused by stress occurs, the Plaxis collapse field visits by the color comes out, which the authors include a critical collapse pattern. While on Limit Equilibrium Method collapse field is assumed as the reference field force at the beginning of the work.
CONCLUSION AND SUGGESTION Conclusion The conclusion that can be drawn from this research are: • The safety factor comparisons between methods Limit Equilibrium and Finite Element analysis of the results of this research have the greatest percentage difference of 3%. • Prediction of the height at the time of collapse between methods Limit Equilibrium and Finite Element has in common with the actual condition of the overall project analysis carried out in the three project between the analysis of the actual conditions in the field. The resulting collapse pattern between the two methods have the same tendency. • Neither the Limit Equilibrium and Finite Element can be used in practice. • Finite Element method has advantages which in Limit Equilibrium method simply removing the value of the safety factor, whereas in the Finite Element deformation can be known, it can help in predicting the collapse.
Suggestion To add a more complete analysis of the study the authors suggestions on further research is • A critical analysis using earthquake factor. • In a subsequent study required analysis using earthquake factor. • Undertake research to the model than the model Mohr Coulomb soil. • In a subsequent study the amount of data needed to obtain more accurate results with better
Bibliography Prediction of Behaviour of a test Embankment on Malaysian Marine Clay. (1989). International Symposium on Trial Embankment on Malaysian Marine Clay (hal. 1-8). Kuala Lumpur: The Malaysian Highway Authority. Albataineh, N. (2006). Slope Stability Analysis using 2D and 3D Methods. Ohio: University of Akron. Arif, M., & Widodo, A. (2008). Analisa Balik Kelongosran(Studi Kasus diJember). Surabaya: Jurusan Teknik Sipil ITS. Bishop, A. W. (1955). The use of the slip circle in the stability analysis of slopes. Geotechnique, 7-17. Bowles, J. E. (1985). Sifat-Sifat Fisis dan Geoteknis Tanah (2nd ed.). Jakarta: Erlangga. Bowles, J. E. (1997). Foundation Analysis and Design. Singapore: McGraw-Hill. Craig, R. F. (1989). Mekanika Tanah (4th ed.). Jakarta: Erlangga. Das, B. M. (1997). Advance Soil Mechanic. Sacramento: Taylor and Francis. Das, B. M. (1998). Principles of Geotechnical Engineering. Sacramento: PWS Pumblishing Company. E.Spencer.M.sc.Tech. (1967). A Method of Analysis of the Stability of Embankments Asumming Parallel Interslice Force. Geotechnique, 11-26. Gouw, T.L.(2010). Computational Geotechnical Course K., S. S. (1973). Stability analysis of embankments and slopes. Geotechnique, 429-433. Morgenstern, R. N., & Price, V. E. (1965). The analysis of the stability of general slip surfaces. Geotechnique, 79-93.
Muljadihardja, D., Permana, H., & Epriliansyah, F. (2008). Kompetensi Pemantaun Kestabilitas Lereng. Bandung: Universitas Padjadjaran. PLAXIS b.v (2002), Plaxis Version 8 Manual. A.A. Balkema Publishers; Netherlands Romalho-Ortiago, J. A., Werncek, M. L., & Lacerda, W. A. (1983). Embankment Failure on Clay near Rio de Janeiro. Journal of Geotechnical Engineering, 1460-1479. Terzaghi, K., & Peck, R. B. (1993). Mekanika Tanah dalam Praktek Rekayasa (2nd ed., Vol. I). Jakarta: Erlangga.
CURRICULUM VITAE Name
: Dave Juven George Herman
The date of Birth
: Bogor 8 October 1990
Education
: Civil Engineering Binus University
