BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Dinding Penahan Tanah Asal mula dibuatnya konstruksi dinding penahan tanah adalah akibat bertambah luasnya kebutuhan kontruksi penahan yang digunakan untuk mencegah agar tidak terjadi kelongsoran menurut kemiringan alaminya. Sebagian besar bentuk dinding penahan tanah adalah tegak (vertikal) atau hampir tegak kecuali pada keadaan tertentu yang dinding penahan tanah dibuat condong ke arah urugan.
2.1.1 Definisi Dinding Penahan Tanah Dinding penahan tanah adalah struktur yang didesain untuk menjaga dan mempertahankan dua muka elevasi tanah yang berbeda. (Coduto, 2001) Bangunan dinding penahan tanah digunakan untuk menahan tekanan tanah lateral yang ditimbulkan oleh tanah urug atau tanah asli yang labil. Bangunan ini lebih banyak digunakan pada proyek-proyek: irigasi, jalan raya, pelabuhan, dan lainlainnya. Elemen-elemen pondasi, seperti bangunan ruang bawah tanah (basement), pangkal jembatan (abutment), selain berfungsi sebagai bagian bawah dari struktur, berfungsi juga sebagai penahan tanah di sekitarnya. (Hardiyatmo, 2002)
7
8 2.1.2 Macam Dinding Penahan Tanah Jenis-jenis dinding penahan tanah beraneka ragam, disesuaikan dengan keadaan lapangan dan aplikasi yang akan digunakan. O’Rourke dan Jones (1990) mengklasifikasikan dinding penahan tanah menjadi dua kategori yaitu sistem stabilisasi eksternal dan sistem stabilisasi internal serta sistem hybrid yang merupakan kombinasi kedua metode tersebut (lihat gambar 2.1). Sistem stabilisasi eksternal merupakan sistem yang memanfaatkan berat dan kekakuan struktur; dan sistem stabilisasi internal yang memperkuat tanah untuk mencapai kestabilan yang dibutuhkan. Earth-Retaining Structures Externally Stabilized Systems In-Situ Walls
• Sheet Pile - Steel - Concrete • Soldier Pile • Cast in-situ - Slurry - Secant - Tangent • Soil Cement
Cantilevered
Braced • Cross-lot • Rakers
Internally Stabilized Systems
Gravity Walls • Massive - Stone - Unreinforced masonry - Unreinforced concrete • Cantilever - Reinforced masonry - Reinforced cement • Counterfort and buttress • Gabion • Crib • Bin • Cellular cofferdam
Tied-Back • Augered - Straight - Belled • Pressure-injected • Screw • Deadman
Gambar 2.1
Reinforced Soils • Reinforced earth • Geotextile
In-Situ Reinforcement • Soil nailing • Reticulated micropiles
Hybrid System • Tailed gabions • Tailed masonry
Klasifikasi Dinding Penahan Tanah
9
a. Sistem Stabilisasi Eksternal Sistem stabilisasi eksternal adalah sistem dinding penahan tanah yang menahan beban lateral dengan menggunakan berat dan kekakuan struktur. Sistem ini merupakan sistem satu-satunya yang ada sebelum tahun 1960, dan sampai saat ini masih umum digunakan. Sistem ini terbagi menjadi dua kategori yaitu dinding gravitasi yang memanfaatkan massa yang besar sebagai dinding penahan tanah (lihat gambar 2.2); dan In-situ wall yang mengandalkan kekuatan lentur sebagai dinding penahan tanah misalnya sheet pile wall (lihat gambar 2.3).
Gambar 2.2 Gravity Walls (Sumber: Earth Retaining Structures Manual, 2010)
10
Gambar 2.3 Sheet Pile Wall (Sumber: Coduto, 2001)
b. Sistem Stabilisasi Internal Sistem stabilisasi internal merupakan sistem yang memperkuat tanah untuk mencapai kestabilan yang dibutuhkan. Sistem ini berkembang sejak tahun 1960 dan dibagi menjadi dua kategori yaitu reinforced soils; dan in-situ reinforcement. Reinforced soils merupakan sistem yang menambah material perkuatan saat tanah diurug, sedangkan in-situ reinforcement merupakan sistem yang menambah material perkuatan dengan cara dimasukkan ke dalam tanah.
Gambar 2.4 Mechanically Stabilized Earth (Sumber: Earth Retaining Structures Manual, 2010)
11
2.1.3 Kegunaan Dinding Penahan Tanah Dinding penahan tanah sudah digunakan secara luas dalam hubungannya dengan jalan raya, jalan kereta api, jembatan, kanal dan lainnya. Aplikasi yang umum menggunakan dinding penahan tanah antara lain sebagai berikut: a.
Jalan raya atau jalan kereta api yang dibangun di daerah lereng.
b.
Jalan raya atau jalan kereta api yang ditinggikan untuk mendapatkan perbedaan elevasi.
c.
Jalan raya atau jalan kereta api yang dibuat lebih rendah agar didapat perbedaan elevasi.
d.
Dinding penahan tanah yang menjadi batas pinggir kanal.
e.
Dinding khusus yang disebut flood walls, yang digunakan untuk mengurangi/menahan banjir dari sungai.
f.
Dinding penahan tanah yang digunakan untuk menahan tanah pengisi dalam membentuk suatu jembatan. Tanah pengisi ini disebut approach fill dan dinding penahan disebut abutments.
g.
Dinding penahan yang digunakan untuk menahan tanah di sekitar bangunan atau gedung-gedung.
h.
Dinding penahan tanah yang digunakan sebagai tempat penyimpanan material seperti pasir, biji besi, dan lain-lain.
12
Gambar 2.5 Aplikasi Dinding Penahan Tanah (sumber: Hungtington, 1961)
13
2.2
Mechanically Stabilized Earth (MSE)
2.2.1 Pengertian Umum MSE Mechanically stabilized earth (MSE) merupakan perkuatan dengan sistem stabilisasi internal yang memanfaatkan pengalihan atau penyaluran tegangan dari elemen perkuatan kepada tanah urug yang terjadi melalui gesekan antara permukaan elemen perkuatan dengan tanah dan tahanan pasif yang timbul antara bagian elemen perkuatan yang berarah tegak lurus terhadap arah pergerakan relatif antara tanah dengan perkuatannya.
Gambar 2.6
Mekanisme Transfer Gaya Pada MSE (Sumber: FHWA, 2009)
14 Konsep ini pertama kali dikembangkan oleh Henri Vidal dari Prancis pada tahun 1969 dengan nama Reinforced Walls. Vidal menggunakan panel-panel beton yang diikatkan dengan baja strip yang membentang dari panel beton hingga panjang tertentu ke dalam tanah. Panel-panel beton yang tertekan oleh tanah di belakangnya akan ditahan oleh baja-baja strip yang memiliki tahanan geser akibat gaya gesek dengan tanah. Interaksi antara panel beton, baja strip dan tanah inilah yang bekerja sama menahan tekanan tanah lateral (Gouw, 1996). Sistem yang ditemukan oleh Vidal ini kemudian berkembang dalam berbagai variasi, antara lain: 1. Panel muka dengan perkuatan baja strip 2. Panel muka dengan jaring-jaring baja 3. Panel muka dengan jangkar atau angkur 4. Panel muka dengan geosintetik 5. Perkuatan tanah dengan geosintetik
Gambar 2.7
Panel Muka Dengan Perkuatan Baja Strip
15
Gambar 2.8
Panel Muka Dengan Jaring-Jaring Baja
Gambar 2.9
Panel Muka dengan Angkur (Sumber: Yoo. 2003)
16
Gambar 2.10
Gambar 2.11
Panel Muka Dengan Geosintetik
Perkuatan Tanah Dengan Geosintetik
17
2.2.2 Komponen Utama MSE Pada dasarnya MSE terdiri dari tiga komponen utama yaitu bagian muka (panel muka), elemen perkuatan, dan tanah urug. 1. Bagian Muka (Panel Muka) Panel muka berfungsi untuk menjaga material tanah agar tidak gugur atau tererosi. Dalam kasus tertentu, panel muka juga dapat berfungsi untuk mengakomodasi drainase. Umumnya panel muka dapat menggunakan panel beton pra-cetak, modular blok, gabions, wire-mesh, shotcrete, geotekstil.
Gambar 2.12 Panel Muka Beton Pra-Cetak (sumber: FHWA, 2009)
18
Gambar 2.13 Panel Muka Modular Blok (sumber: FHWA, 2009) 2. Elemen Perkuatan
19 Elemen perkuatan yang digunakan dapat dikelompokkan menjadi dua kategori yaitu material dengan regangan kecil atau relatif tidak meregang (inextensible material) misalnya baja; material dengan regangan yang relatif besar (extensible material) misalnya geosintetik. Perkuatan Besi Strip Besi strip berfungsi sebagai perkuatan pada dinding penahan tanah, gaya gesekan antara besi strip dengan tanah digunakan untuk menahan gaya pendorong pada dinding penahan tanah. Selain itu perkuatan diberikan galvanis untuk mencegah korosi. Tebal minimum galvanis untuk perlindungan korosi terdapat pada tabel 2.1 yaitu: Tabel 2.1
Tebal Minimum Pelapisan Galvanis (AASHTO-M110 dan
ASTM-A123) Ketebalan Minimum Kategori
Ketebalan Galvanis
Strip
Wire*
< 1/4 inch (6,4 mm)
3,4 mils (85 μm)
> 1/4 inch (6,4 mm)
3,9 mils (100 μm)
All diameters
3,4 mils (85 μm)
*for bar mats fabricated from uncoated steel wire. Sumber: FHWA, 2009 Kecepatan terjadinya korosi dapat dilihat pada tabel di bawah. Kecepatan korosi di bawah dapat digunakan untuk konservatif desain. Kecepatan ini berdasarkan pada tanah urug yang cukup korosif.
20
21
Tabel 2.2
Kecepatan Korosi Besi
Untuk zinc/bidang sentuh:
0,58 mils/yr (15 μm/tahun) (untuk 2 tahun pertama) 0,16 mils/yr (4 μm/tahun) (untuk tahun berikutnya)
Untuk besi/bidang sentuh:
0,47 mils/yr (12 μm/tahun)
Sumber: FHWA, 2009 Mengacu pada tabel 2.1 dan 2.2, maka untuk tebal minimum galvanis 85 μm dapat bertahan selama 16 tahun pertama, setelah itu korosi akan terjadi pada besi. 3. Tanah Urug Tanah urug umummnya dianjurkan untuk menggunakan tanah granular sebab tanah granular memiliki kemampuan menyalurkan tegangan, ketahanan dan drainase yang lebih baik dibandingkan tanah lempung. Kriteria penggunaan penggunaan tanah urug harus mempertimbangkan pengaruh jangka panjang keseluruhan struktur dan pengaruh terhadap material perkuatan. Tanah urug yang digunakan harus bebas dari material organik dan bahan merusak lainnya serta harus sesuai kriteria gradasi. Tanah urug harus memiliki gradasi yang baik, serta hindari penggunaan material tidak stabil
22 dan gradasi tidak merata karena dapat terjadi erosi dan penyumbatan drainase. Tabel 2.3
Ketentuan Material Granular Pada MSEW U.S. Sieve Size
Percent Passing
Gradation
4 in. (102 mm)(a)
100
(AASHTO T-27)
No. 40 (0,425 mm)
0-60
No. 200 (0,075 mm)
0-15
Plasticity Index, PI PI ≤ 6 (AASHTO T-90) Notes: (a)
Ukuran maksimum partikel harus disesuaikan dengan penggunaan material
perkuatan yang digunakan. Untuk penggunaan material geosintetik, ukuran dapat dikurangi menjadi ¾ in (19 mm). Sumber: FHWA (2009) 2.2.3 Metode Pelaksanaan Metode pelaksanaan MSE cukup mudah dan cepat, yang terdiri dari serangkaian pekerjaan yang berulang yaitu persiapan material, penimbunan, pemadatan, pemasangan perkuatan, pemasangan elemen panel muka. Dalam pelaksanaan ini tidak dibutuhkan kemampuan khusus sehingga dapat menggunakan tenaga pekerja lokal. Metode pelaksanaan dibagi beberapa tahap yaitu: a. Prakonstruksi
23 Pada tahap ini dilakukan pertimbangan ulang atas desain yang telah dilakukan dengan mempertimbangkan kondisi lapangan, apakah dapat dilakukan penggalian sesuai panjang penjangkaran yang dibutuhkan, keadaan pondasi tanah, ketersediaan material yang sesuai, metode konstruksi (urutan pekerjaan, proses pemadatan, sambungan, dll) b. Fabrikasi material Fabrikasi material dapat dilakukan di lapangan atau di pabrik. Fabrikasi material berupa pencetakan beton panel untuk keperluan panel muka. Setiap panel dibuat sesuai desain yang telah ditentukan sehingga saat di lapangan hanya disusun. Toleransi maksimum untuk dimensi keseluruhan panel adalah 0,5 inch (13 mm). Selain itu juga fabrikasi material perkuatan yaitu besi. Besi harus diberikan perlindungan terhadap korosi dengan diberi galvanis.
24
Gambar 2.14 Pencetakan Panel Beton (Sumber: FHWA, 2009) c. Konstruksi 1. Pembuatan leveling pad Dimensi ukuran leveling pad disesuaikan dengan kondisi lapangan dan desain, umumnya memiliki ketebalan 6 inches (150 mm) dengan lebar 8 inches (200 mm). Kuat tekan beton juga harus memenuhi spesifikasi minimum yang telah ditentukan. Toleransi untuk kerataan leveling pad adalah 1/8 inch (3 mm) 2. Pemasangan panel Pemasangan panel dilakukan dengan alat berat karena dimensi panel yang cukup besar dan berat. Antar panel dikunci dengan klep sementara, untuk
25 mencegah pergeseran. Hubungan antara panel yang satu dengan yang lain juga diberi bearing pad sebagai tempat dudukan untuk memberi ruang gerak antar panel.
Gambar 2.15 Pemasangan Panel (Sumber: FHWA, 2009)
Gambar 2.16 Bearing Pads (Sumber: FHWA, 2009)
3. Pengurugan dan pemadatan material
26 Pemadatan dilakukan sampai tingkat kepadatan yang telah ditentukan. Pada jarak sekitar 3 kaki ( 1 m ) dari facing menggunakan vibrator roller atau stamper, karena dapat menganggu kemiringan dinding.
Gambar 2.17 Penggunaan Alat Berat Pada Bagian Jauh dari Dinding (Sumber: FHWA, 2009)
Gambar 2.18
Penggunaan Alat Berat yang Kecil Pada Bagian Dekat Dinding (Sumber: FHWA, 2009)
4. Pemasangan elemen perkuatan
27 Elemen perkuatan kemudian dipasang ke panel sesuai dengan elevasi yang telah ditentukan.
Gambar 2.19 Pemasangan Elemen Perkuatan (Sumber: FHWA, 2009)
Gambar 2.20
Tipe Sambungan Pada Perkuatan Strip dan Jaring (Sumber: FHWA, 2009)
Kemudian dilakukan secara berulang sampai didapat ketinggian yang telah ditentukan atau sesuai desain.
28 d. Pengawasan Setelah konstruksi selesai, maka diperlukan pengawasan selama masa pemeliharaan atau untuk kepentingan lainnya. Pengawasan yang dilakukan dapat berupa pergerakan horisontal dan vertikal dinding yang dapat menggunakan alat tiltmeters, surveying, maupun pengamatan secara visual.
29
2.2.4 Kelebihan dan Kekurangan MSE Kelebihan penggunaan MSE adalah: a. Prosedur konstruksi yang mudah dan cepat, karena tidak membutuhkan keahlian khusus dan peralatan khusus karena sebagian besar pekerjaan hanya mencakup pemasangan dan pemadatan. b. Tidak membutuhkan ruang yang besar di bagian depan struktur untuk keperluan konstruksi. c. Tidak membutuhkan pondasi yang dalam karena strukturnya sendiri dapat menoleransi terhadap deformasi, selain itu lebih tahan terhadap beban gempa daripada struktur dinding beton. d. Secara teknik mampu menahan sampai ketinggian lebih dari 30 m (100 kaki). e. Facing yang dapat dibuat berbagai bentuk dan tekstur untuk pertimbangan estetika. Susunan batu bata, kayu, dan gabions juga dapat digunakan untuk menampilkan keselarasan dengan lingkungan. Kekurangan penggunaan MSE antara lain: a. Membutuhkan ruang yang cukup besar di bagian belakang dinding untuk pemasangan penjangkaran. b. Membutuhkan material timbunan yang granular. Pada beberapa tempat, ketidaktersediaan bahan timbunan yang granular menjadikan metode ini tidak ekonomis.
30
Perencanaan Dinding MSE Perencanaan dinding MSE terdiri dari beberapa bagian yang direncanakan dan dianalisa, yaitu: 1. Umur Rencana 2. Facing panel 3. Dimensi levelling pad 4. Kedalaman penanaman struktur 5. Panjang penjangkaran 6. Dimensi perkuatan pelat besi yang meliputi tebal pelat, lebar pelat. 7. Drainase
Reinforced Backfill Retained Backfill
Levelling Pad
Sh
Sv
Height of Wall (H)
Facing Panel Depth of Embedment (d)
2.3
Length of Reinforcement (L) Foundation Soil
31 Gambar 2.21
Penampang MSE-Wall Dengan Perkuatan Besi Strip
2.3.1 Umur Rencana Perencanaan masa layan suatu MSEW didasarkan pada pertimbangan pengaruh jangka panjang terhadap potensi kerusakan dari material, rembesan dan pengaruh keadaan lingkungan terhadap kompenen material. Minimum umur rencana untuk suatu dinding penahan tanah permanen adalah 75 tahun, sedangkan untuk aplikasi sementara biasa dirancang untuk masa layan 36 bulan atau kurang. Untuk struktur yang memiliki fungsi fital bisa memiliki umur rencana lebih dari 100 tahun. Kualitas saat melakukan pekerjaan konstruksi memegang peranan penting dalam umur konstruksi. Struktur dibuat dengan mempertahankan estetika pada tampilan luarnya dan tidak memerlukan pemeliharaan yang signifikan pada masa layan mereka. 2.3.2 Panel Muka Panel muka merupakan bagian dari struktur depan yang terbuat dari beton pracetak, yang saling terkunci dan menyatu. Antara panel yang satu dengan panel yang lain disatukan dengan dowels bars sehingga bersifat fleksibel dan dapat menoleransi perbedaan penurunan (differential settlement). Facing sangat penting dalam unsur estetika karena hanya facing yang satusatunya terlihat dari luar setelah konstruksi selesai. Dalam beberapa konstruksi dapat berfungsi sebagai saluran drainase. Tebal minimum beton facing adalah
32 140 mm (5,5 inch) dan dapat berbentuk persegi, segitiga, bujur sangkar, heksagonal dan lain-lain. Dimensi panel beton adalah tinggi 1,5 m (5 kaki) dengan lebar 1,5 – 3 m (5 – 10 kaki). 2.3.3 Dimensi Leveling Pad Leveling pad umumnya terbuat dari beton (umumnya 2500 psi atau 17,2 Mpa). Mutu beton dan ketebalan harus dapat menahan beban sehingga mengizinkan terjadinya retak saat terjadi penurunan setempat untuk meredam konsentrasi tegangan yang terjadi. Ketebalan leveling pad umumnya 6 inch (150 mm), sedangkan lebarnya harus lebih besar minimum 3 inch (75 mm) dari ketebalan panel muka. Misalkan ketebalan panel muka 6 inch (150 mm) maka lebar leveling pad adalah 12 inch (300 mm). Toleransi untuk kerataan leveling pad adalah 1/8 inch (3 mm) untuk setiap 10 ft (3 m).
Gambar 2. 22
Potongan Penampang Levelling Pad (sumber: FHWA, 2009)
33
2.3.4 Kedalaman Penanaman Struktur Kaki struktur harus ditanam di bawah permukaan tanah untuk menghindari terjadinya kegagalan lokal. Dengan kondisi tanah dasar yang baik, maka minimum penanaman (embedment) adalah H/20 (untuk wall) dan H/10 (untuk pangkal jembatan) dan tidak boleh kurang dari 2 ft (0,6 m). Untuk kondisi tanah dasar yang lunak, maka kedalaman penanaman dapat ditambahkan, sedangkan untuk kondisi tanah pondasi yang baik dan kuat, maka embedment tidak diperlukan. Tabel 2.4
Kedalaman Minimum Embedment
Kondisi Kemiringan Tanah Di Depan
Kedalaman Minimum Embedment dari
Dinding
Bagian Atas Levelling Pad
Semua Kemiringan
2 ft (0,6 m)
Horisontal (walls)
H/20
Horisontal (abutments)
H/10
3H : 1V
H/10
2H : 1V
H/7
1,5H : 1V
H/5
Sumber: FHWA (2009) Ada dua tipe embedment yaitu embedment dengan ketinggian tanah yang rata, dan dengan kemiringan.
34
Gambar 2.23
Embedment, (a) Embedment dengan ketinggian tanah
yang rata, (b) Embedment dengan ketinggian tanah yang miring. (sumber: FHWA, 2009) 2.3.5 Panjang Penjangkaran Penentuan panjang penjangkaran dapat ditentukan dari beberapa cara seperti di bawah ini. Dari hasil perhitungan panjang penjangkaran di bawah, maka dipilih hasil yang paling besar. 1. Panjang penjangkaran minimum adalah 0,7 tinggi struktur atau minimal 3 meter. Yang dimaksud tinggi struktur adalah tinggi dari levelling pad sampai ke atas struktur. ..................................................................... (2.1)
35 2. Stabilitas Geser (Statik) Stabilitas geser yaitu perbandingan gaya yang menahan dengan gaya-gaya yang mendorong. Dengan perbandingan gaya penahan dan pendorong, akan didapat suatu faktor keamanan stabilitas geser. Jika analisa dibalik, dimana kita menentukan faktor keamanan yang diinginkan, maka akan didapat panjang penjangkaran minimum sesuai faktor keamanan tertentu. q
Reinforced Soil
Retained Fill
F1 H
Rv
d
F2
F3 L
Foundation Soil
Gambar 2.24 Gaya Yang Bekerja Pada Kondisi Geser
...................................................................... (2.2) Gaya yang menahan terjadinya keruntuhan geser adalah gaya berat struktur sendiri
) dan gaya pasif akibat tanah di depan struktur (F3),
sedangkan gaya yang mendorong terjadinya keruntuhan geser adalah
36 tegangan lateral tanah akibat tanah di bagian belakang struktur (F2) dan beban luar tambahan yang bekerja (F1).
..................................................................... (2.3) Rv = resultan gaya vertikal yang bekerja yaitu beban sendiri tanah (kN) ......................................................................................... (2.4) F1 = tegangan lateral aktif akibat beban luar tambahan yang berupa beban merata (kN) ............................................................................... (2.5) F2 = tegangan lateral aktif tanah di bagian belakang struktur (kN) ...................................................................... (2.6) F3 = tegangan lateral pasif tanah di bagian belakang struktur (kN) ...................................................................... (2.7) ............................ (2.8) ........................... (2.9) Jika persamaan 2.4 – 2.7 disubstitusi ke dalam persamaan 2.3, maka menjadi:
............................................ (2.10) Jika rumus analisa FK geser di atas dijabarkan, maka akan didapat rumus panjang penjangkaran minimum sesuai FK yang diinginkan, sebagai berikut:
............................. (2.10)
37 Dalam analisa dinding penahan tanah, gaya pasif tidak diperhitungkan, sehingga pers. 2.10 menjadi:
.................................................... (2.11) Keterangan: = sudut geseran antara dasar dinding dengan tanah pendukung (diambil yang terkecil antara sudut geser tanah urug yang membentuk dinding perkuatan dengan sudut geseran tanah dasar) L = panjang penjangkaran (m) d = kedalaman penanaman/embedment (m) 3.
Stabilitas Guling (Statik) Stabilitas guling merupakan stabilitas yang ditinjau berdasarkan kondisi tanah yang terguling. Momen yang menyebabkan terjadinya guling adalah gaya dorongan aktif tanah dan beban terhadap titik pusat guling. Sedangkan gaya yang menahan guling adalah gaya beban sendiri tanah dan gaya pasif bagian depan tanah terhadap titik pusat guling. Titik pusat guling berada pada ujung bagian bawah dinding penahan tanah. ............................................................. (2.12) Keterangan: = momen guling yang disebabkan F1 dan F2 terhadap titik pusat guling yang berjarak H/2 untuk F1 ; H/3 untuk F2 dan d/3 untuk F3 . ............................................................... (2.13)
38
=
................................................................. (2.14)
............................................................... (2.15)
q
Reinforced Soil
Retained Fill
L/2
F1 H
Rv
F2 H/2 H/3
F3
d
L
d/3
Foundation Soil
Gambar 2.25 Momen Yang Bekerja Pada Kondisi Guling
Jika persamaan 2.4 – 2.7 disubstitusi ke dalam persamaan 2.15, maka menjadi:
...................................... (2.16)
.................................. (2.17)
39 Dalam analisa dinding penahan tanah, gaya pasif tidak diperhitungkan, sehingga pers. 2.17 dapat juga ditulis:
................................................... (2.18)
40
4.
Stabilitas Geser (Seismik) Dalam kondisi gempa bumi, tanah di belakang struktur tetap memberikan sebuah gaya dorong horisontal yang dinamis (PAE) selain gaya dorong statis, begitu juga dengan gaya dorong pasif akibat gempa pada tanah bagian depan struktur. Selain itu, pada struktur sendiri juga terdapat gaya inersia horisontal PIR = M
, di mana M adalah massa dari bagian aktif dari bagian
perkuatan yang lebarnya 0,5H dan
adalah koefisien percepatan
maksimum arah horisontal pada struktur. Gaya PAE dapat dievaluasi dengan analisis pseudo-statis Mononobe-Okabe seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah dan ditambahkan pada gaya statis yang bekerja pada struktur.
Gambar 2.26
Eksternal Stabilitas Pada Kondisi Seismik
41
42 ............................................................................... (2.19) Besarnya massa tanah yang dipengaruhi adalah selebar 0,5 H sehingga persamaan di atas dapat diubah menjadi: ................................................................ (2.20) Dengan nilai
adalah koefisien akselerasi maksimum yang terjadi pada
struktur yang didapat dari koefisien akselerasi maksimum pada tanah dengan menggunakan persamaan yang direkomendasi oleh Segrestin dan Bastick (1988). ...................................................................... (2.21) Persamaan untuk PAE dapat menggunakan metode Mononobe-Okabe. ............................................................. (2.22) ..................................................................... (2.23)
(2.24) adalah sudut kemiringan dinding penahan tanah yaitu 90°, sehingga persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:
............................. (2.25) Sedangkan untuk rumus PPE (gaya pasif akibat gempa) dapat menggunakan rumus berikut:
43 ............................................................. (2.26) .................................................................... (2.27)
(2.28) adalah sudut kemiringan dinding penahan tanah yaitu 90°, sehingga persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:
............................. (2.29) Keterangan: ...................................................................................... = sudut geser tanah
=
................................................................. (2.30)
dengan nilai Kh sama dengan
dan Kv sama dengan nol, sehingga
persamaan di atas menjadi: =
........................................................................ (2.31)
Berdasarkan FHWA 2001 bahwa gaya horisontal dengan gaya PAE dan PIR tidak akan mencapai puncak secara simultan, sehingga nilai faktor untuk PAE adalah sebesar 50%. Dengan demikian, total gaya dorong, akibat kondisi seismik adalah sebagai berikut:
44
.............................. (2.32) Keterangan: F1 : gaya aktif akibat beban (lihat persamaan 2.5) F2 : gaya aktif akibat backfill (lihat persamaan 2.6) Stabilitas eksternal pada struktur perkuatan tanah dihitung berdasarkan penjumlahan gaya-gaya statik yaitu F1 dan F2 dengan gaya-gaya pada kondisi seismik yaitu PAE dan PIR. Dan membandingkan dengan gaya penahannya yaitu beban struktur dan gaya pasif statik (F3) dan 50% gaya pasif seismik (PPE)
............................... (2.33) Stabilitas seismik terhadap stabilitas eksternal ini kemudian dievaluasi. Dengan minimum faktor keamanan pada seismik adalah 75 persen dari faktor keamanan pada kondisi statis. (FHWA, 2009) Faktor keamanan stabilitas geser dihitung dengan membandingkan gaya horisontal yang mendorong dengan gaya penahan, yaitu sebagai berikut:
................................................... (2.34)
(2.35)
45
.................................................................................................................... ........................................................................................................... (2.36) Jika gaya pasif diabaikan maka, persamaan 2.36 menjadi:
(2.37) 5.
Stabilitas Guling (Seismik) Faktor keamanan stabilitas guling dihitung dengan membandingkan gaya momen dorong dengan gaya momen penahan, yaitu sebagai berikut: FS
..................................... (2.38) Nilai Rv, F1, F2 dan F3 disubstitusi dengan persamaan 2.4 samapi 2.7, sedangkan PIR menggunakan persamaan 2.20; PAE menggunakan persamaan 2.22; PPE menggunakan persamaan 2.26.
.......................................................................................................... (2.39)
.................................................................................................................... ........................................................................................................... (2.40)
46 Rumus panjang penjangkaran yang mengabaikan tahanan pasif pada bagian depan struktur menggunakan persamaan berikut:
(2.41)
6.
Eksentrisitas Eksentrisitas (e) adalah jarak antara resultan gaya dengan titik tengah struktur. Nilai e dihitung dengan membagi total momen dibagi dengan gaya vertikal. Nilai minimum e yang disyaratkan adalah
L, sedangkan untuk
struktur dengan tanah dasar batuan, nilai minimum e adalah ¼ L.
Gambar 2.27
Distribusi Pembebanan Pada Tanah Dasar
47
................................................................ (2.42)
................................................... (2.43) ........................................................................... (2.44) Jika persamaan 2.43 dan 2.44 dimasukkan ke dalam persamaan 2.42, maka menjadi:
...................................................... (2.45) Nilai F1, F2, F3 disubsitusi dengan persamaan 2.5 sampai 2.7.
..................... (2.46)
.......................... (2.47) Jika tahanan pasif diabaikan, maka rumus panjang penjangkaran menjadi:
.................................................. (2.48)
Daya Dukung Pondasi Daya dukung dihitung berdasarkan distribusi Meyerhof seperti terlihat pada gambar 2.27. .................................................................................. (2.49) Keterangan:
48 qr
= daya dukung yang bekerja pada bagian dasar dinding penahan tanah
(kN/m2) .............................................................................. (2.50) Rv = resultan gaya vertikal yang bekerja lihat pers. 2.44. L
= panjang penjangkaran/perkuatan (m)
e
= eksentrisitas (m) yang dihitung dengan persamaan 2.45.
qult = daya dukung batas pada pondasi (kN/m2) Daya dukung pondasi dihitung dengan rumus berikut yaitu: ................................................... (2.51) Keterangan: = kohesi tanah dasar (kN/m2) = beban tanah yang dipengaruhi oleh kedalaman penanaman ................................................................................ (2.52) = berat jenis tanah pada pondasi (kN/m3) d
= kedalaman penanaman pada kaki dinding / embedment (m) = panjang penjangkaran (m) = faktor daya dukung (after Vesic, 1973) .......................................................... (2.53) .................................................................. (2.54) untuk
............................................................. (2.55) ..................................................................... (2.56)
49 Pada perhitungan dinding penahan tanah, d = 0 karena kedalaman penanaman struktur tidak diperhitungkan (FHWA, 2009). Sehingga persamaan 2.51 menjadi: .............................................................. (2.57) Tegangan pasif pada sisi depan dinding penahan tanah diabaikan untuk antisipasi kemungkinan bagian ini akan hilang dan sebagai tambahan faktor keamanan. 2.3.6 Dimensi Perkuatan Besi Strip Dalam penentuan dimensi perkuatan besi strip, maka yang mempengaruhi adalah bagian dalam struktur tersebut. Struktur perkuatan dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu daerah aktif (yang mendorong) dan daerah yang menahan. Daerah aktif adalah bagian yang berada tepat di belakang panel muka. Pada daerah ini tanah berusaha bergerak ke arah luar dinding. Tegangan yang timbul akibat pergerakan ini mengarah ke luar, dan harus ditahan oleh elemen perkuatan. Gaya tarik yang bekerja pada elemen perkuatan ini disalurkan ke daerah penahan dimana tegangan geser tanah termobilisasi dalam arah yang berlawanan untuk mencegah tercabutnya elemen perkuatan. Gambar berikut memperlihatkan dua daerah ini. Elemen perkuatan membuat kedua daerah ini menyatu menjadi satu kesatuan dinding penahan tanah. (Gouw, 1996) Berdasarkan Federal Highway Administration tentang Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes Design & Construction Guideline terdapat dua pendekatan model keruntuhan internal struktur yaitu model keruntuhan bilinier untuk perkuatan tipe inextensible (material perkuatan yang memiliki regangan yang sangat kecil misalnya besi, lihat gambar 2.28a) dan
50 model Rankine untuk perkuatan tipe extensible (material perkuatan yang memiliki regangan yang besar, misalnya geotekstil, lihat gambar 2.28b). Biliniear dikenal juga dengan semiempirical coherent gravity, yang pertama kali dikenalkan oleh Schlosser yang merupakan metode working stress berdasarkan pada observasi lapangan dan laboratorium skala nyata. Asumsi mekanisme pergerakan dinding adalah berpusat pada bagian ujung atas struktur. Garis bidang keruntuhan diasumsi terbagi menjadi dua bagian. Metode Rankine disebut juga tie-back wedge karena pola keruntuhan mengikuti keruntuhan Rankine. Pada metode ini mengasumsi mekanisme pergerakan dinding adalah berpusat pada ujung tumit bawah struktur. Berg et al. menyarankan bahwa tie-back wedge lebih mewakili perilaku dinding penahan tanah dengan perkuatan extensible. (Bonaparte, 1987).
51
Gambar 2.28 Model Keruntuhan Internal Struktur Perkuatan a) Tipe Inextensible; b) Tipe Extensible
52
Distribusi tegangan tanah lateral untuk setiap lapisan dihitung dengan menggunakan koefisien tekanan tanah lateral seperti pada gambar di bawah. Pada permukaan atas struktur sampai kedalaman 20 kaki (6 meter), perbandingan koefisien tekanan tanah semakin bertambah. Sedangkan untuk kedalaman lebih dari 20 kaki (6 meter), perbandingan koefisien tekanan tanah yang digunakan adalah tetap. Koefisien tekanan tanah lateral yang digunakan adalah hasil pembacaan dari grafik di bawah yang dikalikan dengan Ka.
Gambar 2.29 Distribusi Koefisien Tekanan Tanah Lateral (after AASHTO, 1999)
53 Dengan mengasumsi model keruntuhan dan besarnya koefisien tekanan lateral, maka tegangan horisontal yang bekerja pada tiap perkuatan di kedalaman tertentu dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: ............................................................................................ (2.58) Keterangan: K = koefisien tekanan tanah lateral (dihitung berdasarkan gambar 2.29) = tegangan vertikal yang bekerja pada level ke-i berdasarkan distribusi Meyerhof. .......................................................................................... (2.59) Tensile Tensile adalah gaya tarik yang bekerja pada tulangan (reinforcing bar) akibat tekanan vertikal yang bekerja. Tekanan vertikal yang bekerja tidak boleh lebih besar dari kuat tarik tulangan agak tidak terputus yang dapat menyebabkan kegagalan struktur.
................................................................................................ (2.60)
Keterangan: Td = kuat tarik perkuatan pelat besi (kN) ............................................................................... (2.61) Ti = gaya tarik yang bekerja pada level ke-i (kN) ............................................................................ (2.62) Sv = spasi vertikal (m)
54 Sh = spasi horisontal (m) Berdasarkan FHWA, 2009 menyarankan agar jarak spasi horisontal dan vertikal maksimum adalah 0,8 meter (32 inch), hal ini untuk mengakomodasi distribusi gaya pada daerah perkuatan. FK = faktor keamanan (FKputus > 1)
....................................................................................... (2.63) Jika persamaan 2.41 yang merupakan analisa tahanan putus (tensile strength) diubah menjadi persamaan 2.42, maka dapat dicari luas penampang perkuatan minimum.
.................................................................................. (2.64) Pull-Out Pull-out adalah gaya yang bekerja pada permukaan tendon perkuatan yaitu berupa gaya gesek antara material tanah dengan permukaan tulangan. Gaya pullout harus lebih besar dari gaya yang bekerja agar tendon perkuatan tidak tercabut
Tebal Strip
atau keluar dari struktur yang akan menyebabkan kegagalan pada struktur.
Gaya Tarik (Ti)
Le ba rS tri p
Tahanan Gesek (Pu)
55 Gambar 2.30
Detail Penampang Perkuatan Besi Strip
................................................................................................ (2.65) ............................................................................... (2.66) Keterangan: Ti = gaya tarik pada level ke-i (kN) Pu = pull-out resistance (kN) = koefisien friksi antara material tanah dengan strip besi, yang ditentukan dari grafik berikut.
Gambar 2.31
Koefisien Friksi Antara Material Tanah Dengan Strip Besi (sumber: FHWA, 2009)
Cu = koefisien keseragaman (D60/D10), jika Cu tidak diketahui, maka dapat gunakan Cu = 4, sehingga
pada puncak = 1,8
Bs = lebar strip besi (m) = tegangan vertikal yang bekerja pada level ke-i (kN/m2)
56 Lei = panjang penjangkaran di luar daerah potensi longsor sesuai dengan model keruntuhan (m) Nilai Pu (pers. 2.44) dan Ti (pers. 2.40) jika disubstitusi pada persamaan 2.43, maka akan didapat persamaan Faktor Keamanan (pers. 2.45)
.................................................................................... (2.67) Pada persamaan 2.45 diganti posisi sehingga dengan memasukkan nilai faktor keamanan yang diinginkan, maka dapat dihitung lebar minimum perkuatan strip. ....................................................................................... (2.68) 2.3.7
Drainase Drainase memegang peranan penting dalam kinerja dinding penahan tanah. Terdapat dua tipe drainase yaitu internal dan eksternal. Drainase internal mempertimbangkan aliran air permukaan yang meresap ke dalam struktur dinding penahan tanah maupun aliran air tanah pada belakang struktur dinding. Drainase internal tergantung pada karakteristik tanah timbunan yang digunakan.
57
Gambar 2.32
Contoh Penampang Drainase Internal Dengan Geotekstil (sumber: FHWA, 2009)
Sedangkan drainase eksternal mempertimbangkan aliran permukaan air yang dapat menyebabkan erosi. Drainase eksternal tergantung pada lokasi struktur dan faktor hidrogeologi.
58
Gambar 2.33
Contoh Penampang Drainase Eksternal (sumber: FHWA, 2009)
Tujuan dari drainase adalah mencegah pemampatan aliran sehingga terjadi penumpukan air pada struktur. Selain itu, drainase berfungsi untuk mengumpulkan dan membuang air sebelum memasuki struktur. Air yang terkumpul dalam struktur dapat menyebabkan: 1.
Meningkatnya tekanan air sehingga tekanan lateral tanah juga ikut meningkat.
2.
Piping, yaitu erosi air yang mengikis tanah menjadi suatu saluran seperti pipa, yang semakin lama akan semakin besar dan struktur menjadi kehilangan tanah pengisinya.
3.
Erosi eksternal pada struktur, misalnya pada bagian bawah struktur, sudut-sudut atau bagian atas struktur.
59
Gambar 2.34
2.4
Erosi Pada Bagian Bawah Struktur Dinding (sumber: FHWA, 2009)
MSE Dengan Perkuatan Geogrid Dinding penahan tanah dengan perkuatan geogrid memiliki faktor rangkak yang cukup tinggi (mencapai 10%), sehingga permukaan dinding penahan tanah tidak dapat dibuat tegak, melainkan dibuat dengan kemiringan tertentu.
Untuk
kemiringan dinding lebih kecil dari 8 derajat terhadap garis vertikal, maka perhitungan koefisien lateral tanah dapat menggunakan persamaan 2.8.
60
Gambar 2.35
MSE Dengan Perkuatan Geogrid
Variasi nilai distibusi koefisien tegangan lateral sesuai dengan gambar 2.29 untuk tipe geosintetik, yang memiliki nilai Kr/Ka = 1 sehingga koefisien tegangan yang digunakan adalah Ka . Pola kelongsoran menggunakan pola kelongsoran Rankine karena sifat material yang extensible (gambar 2.28b). Panjang penjangkaran (Le) pada daerah penahan (resistant zone) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut (FHWA, 2009):
...................................................................... (2.69) Keterangan: Le
= panjang penjangkaran pada daerah penahan (m)
61 Tmax = gaya maksimum yang bekerja pada lapisan tersebut (pers. 2.40), dengan nilai Sh dihitung per 1 meter lari. FK = faktor keamanan tahanan cabut F
= koefisien friksi antara material tanah dengan perkuatan .................................................................................... (2.70) = faktor koreksi (
Rc
= 0,8 untuk geogrid; 0,6 untuk geotekstil)
= rasio perbandingan material ......................................................................................... (2.71)
Karena tipe geogrid yang digunakan adalah menerus, maka Sh = b sehingg Rc = 1.
Gambar 2.36
Rasio Perbandingan Material Perkuatan
62
2.5
Metode Elemen Hingga Metode elemen hingga merupakan metode perhitungan yang didasarkan pada konsep diskretasi, yaitu pembagian suatu sistem struktur, massa atau benda padat menjadi elemen-elemen yang lebih kecil. Pembagian ini memungkinkan sistem yang memiliki derajat kebebasan tidak terhingga menjadi derajat kebebasan terhingga, sehingga memudahkan perhitungan masing – masing elemen kecil. Metode elemen hingga juga merupakan metode pendekatan, semakin kecil pembagian elemen-elemen kecil semakin akurat perhitungan pendekatan melalui metode elemen hingga. Metode elemen hingga dapat digunakan untuk menghitungkan distribusi beban yang terjadi pada elemen seperti deformasi dan tegangan. PLAXIS 2D PLAXIS merupakan sebuah program yang diciptakan berdasarkan perhitungan metode elemen hingga yang digunakan untuk menganalisa deformasi dan stabilitas struktur geoteknik. PLAXIS dikembangkan pertama kali di Belanda untuk menganalisa tanggul – tanggul yang dibangun di atas tanah lunak di dataran rendah Belanda. Hingga sekarang, PLAXIS telah dikembangkan dan telah digunakan dalam perencanaan geoteknik dengan cakupan yang lebih luas. Permodelan struktur geoteknik pada umumnya di dalam PLAXIS dapat dimodelkan menjadi model regangan bidang atau model axi-simetri. Pada model regangan bidang model geometri penampang melintang yang kurang lebih seragam dengan
63 kondisi tegangan dan kondisi pembebanan yang cukup panjang dalam arah tegak lurus terhadap penampang tersebut (arah z). perpindahan dan regangan dalam arah z diasumsikan tidak terjadi atau bernilai nol. Walaupun demikian, tegangan normal pada arah z diperhitungkan sepenuhnya dalam analisa. Pada model axi-simetri struktur berbentuk lingkaran dengan penampang melintang radial yang kurang lebih seragam dan kondisi pembebanan mengelilingi sumbu aksial, dimana deformasi dan kondisi tegangan diasumsikan sama di setiap arah radial. Koordinat x menyatakan radius dan koordinat y merupakan sumbu simetris dalam arah aksial. Koordinat x negatif tidak dapat digunakan. Dalam pembuatan geometri permodelan struktur geoteknik terdapat komponen – komponen pembuat geometri yaitu Titik, Garis dan Cluster. Titik merupakan titik awal dan akhir dari sebuah garis. Garis digunakan untuk mendefinisikan batasan – batasan geometri dari struktur geoteknik yang dimodelkan. Sedangkan Cluster merupakan daerah tertutup yang terbuat dari beberapa garis.
Titik
Cluster
Gambar 2.37
Garis
Titik, Garis, dan Cluster Pada Sebuah Geometri
Setelah pembuatan geometri, permodelan metode elemen hingga dapat dianalisa, berdasarkan komposisi cluster dan garis pada permodelan geometri. Komponen –
64 komponen yang terdapat pada bentuk elemen hingga adalah Elemen, Nodal, dan Titik tegangan. Ketika pembuatan bentuk geometri, cluster dibagi menjadi elemen – elemen segitiga. Elemen – elemen segitiga tersebut ada dua macam, yaitu 15 nodal elemen dan 6 nodal elemen. 15 nodal elemen memiliki 15 nodal di dalam elemen segitiganya dan 6 nodal elemen hanya memiliki 6 nodal. Perhitungan menggunakan 15 nodal elemen akan lebih teliti dibandingkan 6 nodal elemen, karena semakin banyak nodal yang dianalisa dalam perhitungan. Namun perhitungan menggunakan 15 nodal elemen akan memakan waktu analisa yang lebih lama, karena perhitungan yang dilakukan semakin banyak untuk setiap nodal di dalam elemen. Tegangan dan regangan yang terjadi pada suatu bentuk diperhitungkan secara individual dengan menggunakan Gaussian integration points (titik tegangan) bukan pada titik nodal. Pada 15 nodal elemen terdapat 12 titik tegangan dan pada 6 nodal elemen terdapat 3 titik tegangan.
Gambar 2.38 Pembagian Elemen – Elemen Segitiga Pada Cluster
Gambar 2.39
Titik Nodal Pada Elemen
65
Gambar 2.40
Titik Tegangan Pada Elemen
Perilaku mekanis dari tanah dapat dimodelkan menggunakan berbagai macam jenis model. Permodelan hubungan tegangan – regangan yang paling sederhana adalah permodelan hukum linear Hooke, elastisitas isotropik, yang hanya memerlukan dua input yaitu Modulus Young, E, dan poisson rasio, υ. Namun dengan permodelan linear hasil yang didapatkan masih terlalu kasar untuk digunakan dalam perancangan. Oleh sebab itu terdapat juga berbagai macam permodelan yang digunakan oleh program PLAXIS, antara lain adalah Mohr – Coulomb model, Jointed Rock model, Hardening – Soil model, Soft – Soil – Creep model dan Soft Soil model. Pemodelan Besi Strip Dalam PLAXIS Dalam PLAXIS, tidak terdapat elemen yang dapat memodelkan besi strip. Namun, praktisi geoteknik mengatakan bahwa pemodelan besi strip dalam PLAXIS dapat didekati dengan elemen pelat (plate) atau dengan elemen geogrid. Dalam pemodelan dengan elemen pelat (plate) atau dengan elemen geogrid, beberapa parameter perlu dikoreksi karena elemen pelat dan elemen geogrid merupakan elemen yang menerus, sedangkan besi strip dipasang dengan jarak tertentu. Koreksi yang pertama adalah dengan membagi parameter kekakuan tarik/tekan (EA), dan parameter kekakuan tekuk (EI) dengan spasi (s) dalam besi strip).
66
..................................................................................... (2.72)
....................................................................................... (2.73) Berikutnya adalah mengoreksi luas permukaan yang mengalami gaya friksi, yaitu luas selimut pada besi strip, dan luas selimut menerus (pada elemen pelat atau elemen geogrid). Koreksi ini dilakukan dengan memasukkan nila tertentu dalam parameter antarmuka (Rinterface), yang dihitung dengan persamaan berikut:
............................................................................ (2.74) Abesi
strip
dalam persamaan di atas adalah luas selimut satu besi strip, sedangkan
Atotal adalah luas total per satu meter yang bersinggungan dengan tanah.
