BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1.
Deskripsi Tanah
2.1.1. Definisi Tanah Menurut Hary Christiady Hardiyatmo dalam bukunya, Mekanika Tanah I Edisi Kelima, dalam pandangan teknik sipil, tanah adalah himpunan mineral, bahan organik, dan endapan-endapan yang relatif lepas (loose), yang terletak di atas batuan dasar (bedrock). Sedangkan menurut Terzaghi yaitu ““tanah terdiri atas butiran-butiran hasil pelapukan massa batuan massive, dimana ukuran tiap butirnya dapat sebesar kerikil-pasir-lanaulempung dan kontak antar butir tidak tersementasi termasuk bahan organik. Ikatan antara butiran yang relatif lemah dapat disebabkan oleh karbonat, zat organik atau oksida-oksida yang mengendap di antara partikel-partikel. Ruang di antara partikel-partikel dapat berisi air, udara ataupun keduanya. Proses pelapukan batuan atau geologi lainnya yang terjadi di dekat permukaan bumi membentuk tanah. Pembentukan tanah dari batuan induknya, dapat berupa proses fisik maupun kimia. Proses pembentukan tanah secara fisik yang mengubah batuan menjadi partikelpartikel yang lebih kecil, terjadi akibat pengaruh erosi, angin, air, es, manusia atau hancurnya partikel tanah akibat perubahan suhu atau cuaca. Umumnya, pelapukan akibat proses kimia dapat terjadi oleh pengaruh oksigen, karbondioksida, air (terutama yang mengandung asam atau alkali) dan proses-proses kimia lainnya.
8
Didalam bukunya “Sifat-Sifat Fisis dan Geoteknis Tanah (Mekanika Tanah)” , Joseph E. Bowles mengartikan melalui pemeriksaaan visual akan terlihat bahwa blok tanah itu akan terdiri atas pori-pori atau rongga (voids) dan butiran tanah. Pori-pori tanah adalah ruang terbuka di antara butiranbutiran tanah, dengan berbagai ukuran. Salah satu unsur yang terdapat pada pori-pori tanah adalah kelembaban tanah yang dimana dapat menyebabkan tanah terlihat basah, lembab ataupun kering. Air di dalam pori atau rongga disebut air pori, mungkin ada dalam jumlah yang cukup untuk memenuhi seluruh rongga (tanah jenuh) atau mungkin hanya ada di sekeliling butiran tanah saja. Sedangkan butiran tanah adalah partikel padat yang bersifat makroskopis atau mikroskopis dalam ukurannya. Sehingga dapat disimpulkan bahwa tanah terdiri dari tiga komponen penyusun utama yaitu udara, air dan butiran padat (Gambar 2.1)
Gambar 2.1 Diagram Fase Tanah
2.1.2. Komposisi dan Istilah Tanah Tanah adalah campuran partikel-partikel yang terdiri atas salah satu atau seluruh jenis berikut (Joseph E.Bowles) :
9
a. Berangkal (boulders), potongan batuan yang besar, biasanya lebih besar dari 250 sampai 300 mm. Untuk kisaran ukuran 150 sampai 250 mm, fragmen batuan ini disebut kerakal (cobbles) atau pebbles. b. Kerikil (gravel), partikel batuan yang berukuran 5 mm sampai 150 mm. c. Pasir (sand), partikel batuan berukuran 0,074 mm sampai 5 mm berkisar dari kasar (3 sampai 5 mm) sampai halus (<1 mm). d. Lanau (silt), partikel batuan yang berukuran dari 0,002 sampai 0,074 mm. Lanau (dan lempung) dalam jumlah yang besar ditemukan dalam deposit yang disedimentasikan ke dalam danau atau di dekat garis pantai pada muara sungai (sepanjang Pantai Gulf dan Lautan Atlantik dan Lautan Teduh). Deposit loess terjadi bila
angin
mengangkut
partikel-partikel
sedemikian
rupa
sehingga deposit yang dihasilkan mempunyai ukuran butir yang hampir sama. e. Lempung (clay), partikel mineral yang berukuran lebih kecil dari 0,002 mm. Partikel-partikel ini merupakan sumber utama dari kohesi pada tanah yang “kohesif”. f. Koloid (colloids), partikel mineral yang “diam”, berukuran lebih kecil dari 0,001 mm.
10
Istilah pasir, lempung, lanau atau lumpur digunakan untuk menggambarkan ukuran partikel pada batas ukuran butiran tanah yang telah ditentukan. Akan tetapi, istilah yang sama juga digunakan untuk menggambarkan sifat tanah yang khusus. Sebagai contoh, lempung adalah jenis tanah yang bersifat kohesif dan plasits, sedangkan pasir digambarkan sebagai tanah yang tidak kohesif dan tidak plastis. `
Gambar 2.2 Klasifikasi butiran menurut sistem USDA, ASTM, MIT International Nomenclature dan British Standard BS 6930 (Kovacs, 1981)
Tanah yang rentang, partikelnya terdiri atas rentang ukuran kerikil dan pasir disebut tanah berbutir kasar (coarse grained) dan bila partikelnya kebanyakan berukuran partikel lanau dan lempung disebut tanah berbutir
11
halus (fine grained). Jika mineral lempung terdapat pada suatu tanah, biasanya akan sangat mempengaruhi sifat tanah tersebut, meskipun persentasenya tidak terlalu besar. Secara umum tanah disebut kohesif bila partikel-partikelnya saling melekat setelah dibasahi kemudian dikeringkan dan diperlukan gaya yang cukup besar untuk meremas tanah tersebut, dan ini tidak termasuk tanah yang partikel-partikelnya saling melekat ketika dibasahi akibat tegangan permukaan. Tanah termasuk tipe pasir atau kerikil (disebut juga tanah berbutir kasar) jika setelah kerakal atau berangkalnya disingkirkan, lebih dari 50% material tersebut tertahan pada ayakan No. 200 (0,075 mm). Tanah termasuk tipe lanau atau lempung (disebut juga tanah berbutir halus) jika setelah kerakalnya atau berangkalnya disingkirkan, lebih dari 50% material tersebut lolos ayakan No. 200. Pasir dan kerikil dapat dibagi lagi menjadi fraksi-fraksi kasar, medium, dan halus. Pasir dan kerikil juga dapat dideskripsikan sebagai bergradasi baik, bergradasi buruk, bergradasi seragam, atau bergradasi timpang (gap-graded).
2.2.
Deskripsi Tanah Lempung
2.2.1 Karakteristik Tanah Lempung Tanah lempung merupakan tanah yang bersifat multi component yang terdiri dari Tanah lempung merupakan tanah yang bersifat multi component yang terdiri dari tiga fase yaitu padat, cair dan udara. Bagian yang padat merupakan polyamorphous terdiri dari mineral inorganis dan
12
organis. Mineral-mineral lempung merupakan substansi-substansi kristal yang sangat tipis yang pembentukan utamanya berasal dari perubahan kimia pada pembentukan mineral-mineral batuan dasar. Semua mineral lempung sangat tipis kelompok-kelompok kristalnya berukuran koliod (<0,002 mm) dan hanya dapat dilihat dengan miksroskop electron. Mitchell (1976) memberikan batasan bahwa yang dimaksud dengan ukuran butir lempung adalah partikel tanah yang berukuran lebih kecil dari 0,002 mm, sedangkan mineral lempung adalah kelompok kelompok partikel kristal berukuran koloid (< 0,002 mm) yang terjadi akibat proses pelapukan dan batuan ditambah dengan sifatnya yang dijelaskan lebih lanjut. Sedangkan menurut Craig (1987), tanah lempung adalah mineral tanah sebagai kelompok-kelompok pertikel kristal koloid berukuran kurang dari 0,002 mm, yang terjadi akibat proses pelapukan kimia pada batuan yang salah satu penyebabnya adalah air yang mengandung asam ataupun alkali, dan karbondioksida. Mineral lempung merupakan pelapukan akibat reaksi kimia yang menghasilkan susunan kelompok partikel berukuran koloid dengan diameter butiran lebih kecil dari 0,002 mm. Partikel lempung dapat berbentuk seperti lembaran yang mempunyai permukaan khusus. Karena itu, tanah lempung mempunyai sifat sangat dipengaruhi oleh gaya-gaya permukaan. Secara umum kira-kira 15 macam mineral diklasifikasikan sebagai mineral lempung. Di antaranya terdiri dari kelompok-kelompok
13
yaitu montmorillonite, illite, kaolinite, dan polygorskite. Kelompok yang lain, yang perlu diketahui adalah chlorite, vermiculite, dan hallosite. Susunan pada kebanyakan tanah lempung terdiri dari silika tetrahedra dan alumunium okthedra (Gambar 2.3). Silika dan aluminium secara parsial dapat digantikan oleh elemen yang lain dalam kesatuannya, keadaan ini dikenal sebagai substansi isomorf. Kombinasi dari susunan kesatuan dalam bentuk susunan lempeng terbentuk oleh kombinasi tumpukan dari susunan lempeng dasarnya dengan bentuk yang berbedabeda.
Gambar 2.3 Mineral-Mineral Lempung (Mitchell, 1976)
Kaolinite merupakan mineral dari kelompok kaolin, terdiri dari susunan satu lembaran silika tetrahedra dengan lembaran aluminium oktahedra, dengan satuan susunan setebal 7,2 Å (1 angstrom = 10-10 m) (Gambar 2.4a). Kedua lembaran terikat bersama-sama, sedemikian rupa sehingga ujung dari lembaran silika dan satu dari lepisan lembaran
14
oktahedra membentuk sebuah lapisan tunggal. Dalam kombinasi lembaran silika dan aluminium, keduanya terikat oleh ikatan hydrogen (Gambar 2.4b). Pada keadaan tertentu, partikel kaolinite mungkin lebih dari seratus tumpukan yang sukar dipisahkan. Karena itu, mineral ini stabil dan air tidak dapat masuk di antara lempengannya untuk menghasilkan pengembangan atau penyusutan pada sel satuannya.
Gambar 2.4 (a) Diagram Skematik Struktur Kaolinite dan (b) Struktur Atom Kaolinite (Mitchell, 1976)
Halloysite hampir sama dengan kaolinite, tetapi kesatuan yang berturutan lebih acak ikatannya dan dapat dipisahkan oleh lapisan tunggal molekul air. Jika lapisan tunggal air menghilang oleh karena proses penguapan, mineral ini akan berkelakuan lain. Maka, sifat tanah berbutir halus yang mengandung halloysite akan berubah secara tajam jika tanah dipanasi sampai menghilangkan lapisan tunggal molekul airnya. Sifat khusus lainnya adalah bahwa bentuk partikelnya menyerupai silinder silinder memanjang, tidak seperti kaolinite yang berbentuk pelat-pelat.
15
Montmorillonite, disebut juga dengan smectit, adalah mineral yang dibentuk oleh dua buah lembaran silika dan satu lembaran aluminium (gibbsite) (Gambar 2.5a). lembaran oktahedra terletak di antara dua lembaran silika dengan ujung tetrahedral tercampur dengan hidroksil dari lembaran oktahedra untuk membentuk satu lapisan tunggal (Gambar 2.5b). Dalam lembaran oktahedra terdapat substitusi parsial aluminium oleh magnesium. Karena adanya gaya ikatan van der Waals yang lemah di antara ujung lembaran silika dan terdapat kekurangan muatan negative dalam lembaran oktahedra, air dan ion-ion yang berpindah-pindah dapat masuk dan memisahkan lapisannya. Jadi, kristal montmorillonite sangat kecil, tapi pada waktu tertentu mempunyai gaya Tarik yang kuat terhadap air. Tanah-tanah yang mengandung montmorillonite sangat mudah mengembang oleh tambahan kadar air, yang selanjutnya tekanan pengembangannya dapat merusak struktur ringan dan perkerasan jalan raya. Di samping itu tanah yang mengandung montmorillonite juga mempunyai daya susut yang tinggi pada waktu musim kemarau. Faktor kembang susut ini yang mengakibatkan struktur perkerasan jalan maupun struktur ringan lainnya mengalami kerusakan.
16
Gambar 2.5 (a). Diagram Skematik Struktur Monmorillonite dan (b). Struktur Atom Monmorillonite (Mitchell, 1976)
Illite adalah bentuk mineral lempung yang terdiri dari mineral mineral kelompok illite. Bentuk susunan dasarnya terdiri dari sebuah lembaran aluminium oktahedra yang terikat di antara dua lembaran silica tetrahedra. Dalam lembaran oktahedra, terdapat substitusi parsial aluminium oleh magnesium dan besi, dan dalam lembaran tetrahedral terdapat pula substitusi silikon oleh aluminium (Gambar 2.6). Lembaran lembaran terikat besama-sama oleh ikatan lemah ion-ion kalium yang terdapat di antara lembaranlembarannya. Ikatan-ikatan dengan ion kalium (K+) lebih lemah daripada ikatan hidrogen yang mengikat satuan Kristal kaolinite, tapi sangat lebih kuat daripada ikatan ionik yang membentuk kristal montmorillonite.
17
Susunan Illite tidak mengembang oleh gerakan air di antara lembaranlembarannya.
Gambar 2.6 Diagram Skematik Struktur Illite (Mitchell, 1976)
Air
biasanya
tidak
banyak
mempengaruhi
kelakuan
tanah
nonkohesif. Sebagai contoh, kuat geser tanah pasir mendekati sama pada kondisi kering maupun jenuh air. Tetapi, jika air berada pada lapisan pasir yang tidak padat, beban dinamis seperti gempa bumi dan getaran lainnya sangat mempengaruhi kuat gesernya. Sebaliknya, tanah butiran halus khususnya tanah lempung akan banyak dipengaruhi oleh air. Karena pada tanah berbutir halus, luas permukaan spesifik menjadi lebih besar, variasi kadar air akan mempengaruhi plastisitas tanahnya. Distribusi ukuran butiran jarang-jarang sebagai faktor yang mempengaruhi kelakuan tanah butiran halus. Batas-batas Atterberg digunakan untuk keperluan identifikasi tanah ini.
18
2.2.2 Karakteristik Tanah Lempung Lunak Tanah lempung lunak merupakan tanah kohesif yang terdiri dari tanah yang sebagian terbesar terdiri dari butir-butir yang sangat kecil seperti lempung atau lanau. Sifat lapisan tanah lempung lunak adalah gaya gesernya yang kecil, kemampatan yang besar, koefisien permeabilitas yang kecil dan mempunyai daya dukung rendah dibandingkan tanah lempung lainnya. Tanah-tanah lempung lunak secara umum mempunyai sifat-sifat sebagai berikut: 1. Kuat geser tanah yang rendah. 2. Berkurang kuat geser apabila kadar air bertambah. 3. Berkurang kuat geser apabila struktur tanahnya terganggu. 4. Bila basah, bersifat plastis dan mudah mampat. 5. Menyusut bila kering dan mengembang bila basah 6. Komprebilitasnya besar. 7. Berubah volumenya dengan bertambahnya waktu akibat rangkak pada beban yang konstan. 8. Merupakan material kedap air. Daerah dengan lempung lunak banyak dijumpai didaerah dataran rendah dan disekitar pantai terutama dimuara sungai-sungai besar sebagai tanah endapan alluvial atau delta. Misalnya dijumpai seperti dilokasi: 1. Pantai Sumatera sebelah timur, disekitar muara sungai Sigli, muara sungai Kuala Tanjung, muara sungai Belawan. Dibagian tengah Sumatera, disekitar Dumai, sungai Pakning, sungai
19
Kampaar, sungai Batanghari kodya Pekanbaru. Sumatera selatan di daerah sungai Musi, wilayah sekitar Palembang. Sebagian barat Sumatera, misalnya disekitar kota Meulaboh, kota Tapak Tuan, kota Sibolga, Air Bangis. 2. Dihampir seluruh pantai utara pulau Jawa misalnya, sekitar daerah Jakarta Utara atau Tanjung Priok, daerah Muara Angke, Muara Karang, daerah Sunter, daerah kodya Cirebon, kodya Semarang dan Sluke. 3. Kalimatan misalnya disekitar daerah kodya Pontianak, Ketapang, Sebamban, Pulo Laut, Tarakan. 4. Sulawesi misalnya daerah Maros, Watampone, Malili, Poso, Kolonadale, Luwuk. 5. Irian jaya misalnya Sorong, Biak, daerah Serui, Kaimana, Nabire, Ewer.
Gambar 2.7 Daerah Penyebaran Tanah Lunak di Indonesia (Geosistem)
20
Menurut Terzaghi (1967) tanah lempung kohesif diklasifikasikan sebagai tanah lempung lunak apabila mempunyai daya dukung ultimit lebih kecil dari 0,5 kg/cm2 dan nilai standard penetrasi tes lebih kecil dari 4 (Nvalue < 4). Berdasarkan uji lapangan, lempung lunak secara fisik dapat diremas dengan mudah oleh jari-jari tangan. Toha (1989) menguraikan sifat umum lempung lunak seperti dalam Tabel 2.1 Tabel 2.1 Sifat-Sifat Umum Lempung Lunak (Toha, 1989)
Menurut Bowles (1989), mineral-mineral pada tanah lempung umumnya memiliki sifat-sifat sebagai berikut: 1. Hidrasi Partikel-partikel lempung dikelilingi oleh lapisan-lapisan molekul air yang disebut sebagai air terabsorbsi. Lapisan ini pada umumnya mempunyai tebal dua molekul karena itu disebut sebagai lapisan difusi ganda atau lapisan ganda. 2. Aktivitas Tepi – tepi mineral lempung mempunyai muatan negatif netto. Ini mengakibatkan terjadinya usaha untuk menyeimbangkan muatan ini dengan tarikan kation. Tarikan ini akan sebanding dengan
21
kekurangan muatan netto dan dapat juga dihubungkan dengan aktivitas lempung tersebut. Aktivitas ini didefinisikan sebagai : 𝑎𝑘𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑎𝑠 =
𝐼𝑛𝑑𝑒𝑘𝑠 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 … … … … … … . . (2.1) 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝐿𝑒𝑚𝑝𝑢𝑛𝑔
dimana persentasi lempung diambil dari fraksi tanah yang < 2 μm. Aktivitas juga berhubungan dengan kadar air potensial relatif. Nilai-nilai khas dari aktivitas dapat dilihat pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Nilai-nilai khas dari aktivitas (Bowles, 1984)
3. Flukolasi dan Dispersi Flokulasi adalah peristiwa penggumpalan partikel lempung di dalam larutan air akibat mineral lempung umumnya mempunyai pH > 7 dan bersifat alkali tertarik oleh ion- ion H+ dari air, gaya Van Der Waal. Untuk menghindari flokulasi larutan air dapat ditambahkan zat asam. Tiang pancang yang dipancang ke dalam lempung lunak yang jenuh akan membentuk kembali struktur tanah di dalam suatu zona di sekitar tiang tersebut. Kapasitas beban awal biasanya sangat rendah, tetapi sesudah 30 hari atau lebih, beban desain dapat terbentuk akibat adanya adhesi antara lempung dan tiang.
22
4. Pengaruh Air Fasa air di dalam tanah lempung tidaklah berupa air yang murni secara kimiawi. Air ini menentukan sifat plastisitas lempung. Fenomena utama dari lempung adalah massanya yang telah mengering dari suatu kadar air awal mempunyai kekuatan yang cukup besar. Apabila air ditambahkan, bahan tersebut akan menjadi plastis dengan kekuatan yang lebih kecil dibandingkan bongkahan sebelumnya. Terlihat bahwa kerapatan yang lebih tinggi
akibat
menimbulkan
pemampatan pengaruh
dan
jarak
maksimum
yang
dari
berdekatan
tarikan
gaya
antarpartikel. Kita dapat langsung mengamati bahwa kekuatan lempung akan bervariasi dari nilai yang sangat rendah (S=100%) sampai nilai yang sangat tinggi. Lapisan lunak umumnya terdiri dari tanah yang sebagian besar terdiri dari butiran-butiran yang sangat kecil seperti lempung atau lanau. Pada lapisan lunak, semakin muda umur akumulasinya, semakin tinggi letak muka airnya. Lapisan muda ini juga kurang mengalami pembebanan sehingga sifat mekanisnya buruk dan tidak mampu memikul beban. Sifat lapisan tanah lunak adalah gaya gesernya yang kecil, kemampatan yang besar, dan koefisien permeabilitas yang kecil. Jadi, bilamana pembebanan konstruksi melampaui daya dukung kritisnya maka dalam jangka waktu yang lama besarnya penurunan akan meningkat yang akhirnya akan mengakibatkan berbagai kesulitan.
23
2.3.
Penurunan Tanah Pada Lapisan Tanah Lunak. Menurut Bowles (1984), semua tanah yang mengalami tegangan
akan mengalami regangan di dalam kerangka tanah tersebut. Regangan ini disebabkan oleh penggulingan, penggeseran atau penggelinciran dan terkadang juga kehancuran partikel-partikel tanah pada titik-titik kontaknya. Akumulasi statistic dari deformasi dalam arah yang ditinjau ini merupakan regangan. Integrasi regangan (deformasi per satuan panjang) sepanjang kedalaman pengaruh disebut penurunan. Regangan pada tanah berbutir kasar dan tanah berbutir halus yang kering atau jenuh sebagai akan terjadi dengan segera sesudah bekerjanya tegangan. Bekerjanya tegangan terhadap tanah berbutir halus yang jenuh (dan hampir jenuh) akan menghasilkan regangan yang tergantung pada waktu. Penurunan yang dihasilkan akan tergantung juga pada waktu dan disebut penurunan konsolidasi. Waktu yang terpakai untuk itu didasarkan pada laju konsolidasi. Jangka waktu terjadinya penurunan konsolidasi tergantung pada bagaimana cepatnya tekanan pori yang berlebih akibat beban yang bekerja dapat dihilangkan. Karena itu, koefisien permeabilitas merupakan factor penting, disamping penentuan berapa jauh jarak air pori yang harus dikeluarkan dari pori-pori yang ukurannya bertambah kecil untuk dapat meniadakan tekanan yang berlebih. Teori umum yang mencakup konsep tekanan pori dan tegangan efektif adalah salah satu hal yang dikembangkan oleh Terzaghi selama
24
tahun 1920-1974. Teori konsolidasi Terzaghi membuat asumsi-asumsi sebagai berikut : 1. Tanah adalah, dan tetap akan, jenuh (S = 100%). Penurunan konsolidasi dapat diperoleh untuk tanah yang tidak jenuh, tetapi peramalam waktu terjadinya penurunan sangat tidak dapat dipercaya. 2. Air dan butiran-butiran tanah tidak dapat ditekan. 3. Terdapat hubungan linier antar tekanan yang bekerja dan perubahan volume. 4. Koefisien permeabilitas (k) merupakan suatu konstanta, 5. Hukum Darcy berlaku (v = ki). 6. Terdapat temperatur yang konstan. 7. Konsolidasi merupakan konsolidasi satu-dimensi (vertikal), sehingga tidak terdapat aliran air atau pergerakan tanah lateral. 8. Contoh yang digunakan merupakan contoh tidak terganggu (undistrub sample). Karakterikstik-karakteristik konsolidasi (atau parameter-parameter) suatu tanah adalah indeks tekanan (compression index, Cc) dan koefisien konsolidasi (coeffiecient of consolidation, Cv). Parameter-parameter konsolidasi dapat diperoleh (atau diperkirakan) dari uji konsolidasi di laboratorium. Contoh tanah yang telah dirapikan (diameternya biasanya dari 6,3 sampai 11,3 cm) diletakkan di dalam cincin logam pengekang. Tekanan tanah yang seragam dikerjakan melalui blok pembebanan, dan
25
batu berpori memungkinkan tekanan pori yang berlebih akibat pertambahan beban untuk keluar secara bebas pada saat rongga-rongga tanah mengalami tekanan. Suatu alat pengukur dipakai untuk mengukur besarnya tekanan pada interval waktu yang berbeda, maka perubahan volume akan dapat dihitung. Penurunan, ∆H, pada setiap massa tanah yang mengalami tegangan ∆p terdiri atas penurunan-penurunan segera, konsolidasi dan tekanan sekunder. Dalam bentuk persamaan, penurunan adalah ∆𝐻 = ∆𝐻𝐼 + ∆𝐻𝐶 + ∆𝐻𝑆 … … … … … … … … … (2.2) Penurunan segera terjadi pada tanah berbutir kasar dan tanah berbutir halus kering (tidak jenuh) terjadi segera setelah beban bekerja. Penurunan ini bersifat elastis, dalam praktek sangat sulit diperkirakan besarnya penurunan ini. Penurunan segera ini banyak diperhatikan pada fondasi bangunan yang terletak pada tanah granuler atau tanah berbutir kasar. Menurut Terzaghi, penurunan segera dibedakan pada penerapan aplikasi beban yaitu : 1. Akibat beban terbagi rata pada luasan partikel fleksibel di permukaan. Jika tanah elastis dengan tebal tak berhingga, penurunan akibat beban terbagi rata pada luasan fleksibel yang berbentuk lingkaran dengan jari-jari R adalah 𝑆𝑖 =
𝑞𝑛 𝑥 𝑅 𝑥 𝐼𝑟 … … … … … … (2.3) 𝐸
Dimana,
26
Si
= penurunan segera (m)
qn
= tambahan tegangan atau tekanan pondasi netto (kN/m2)
E
= modulus elastisitas tanah (kN/m2)
Ir
= faktor pengaruh untuk beban lingkaran tergantung pada angka poisson (µ) dan jarak antar titik beban.
Gambar 2.8 Faktor Pengaruh beban terbagi rata berbentuk lingkaran
2. Penurunan segera pada pondasi empat persegi panjang fleksibel. Penurunan segera pada sudut dari beban berbentuk luasan empat persegi panjang fleksibel adalah 𝑆𝑖 =
2𝑞𝑛 𝐵 (1 − µ2 )𝐼𝑝 … … … … … … (2.4) 𝐸
Dimana, Si
= penurunan segera (m)
qn
= tambahan tegangan (kN/m2)
B
= lebar area pembebanan (m)
27
Ip
= faktor pengaruh
µ
= angka poisson
Gambar 2.9 Faktor Pengaruh di sudut luasan segiempat persegi
3. Penurunan segera akibat beban terbagi rata luasan fleksibel pada lapisan dengan tebal terbatas. Penurunan segera akibat luasan beban empat persegi panjang yang terletak pada lapisan tanah dengan tebal H yang terletak diatas lapisan yang keras (Steinbrenner – 1934) adalah 𝑆𝑖 =
𝑞𝑛 𝑥 𝐵 𝑥 𝐼𝑝 … … … … … … (2.5) 𝐸
dengan, 𝐼𝑝 = (1 − µ2 )𝐹1 + (1 − µ − 2µ2 )𝐹2
… … … … … … … . (2.6)
28
F1 dan F2 adalah koefisien yang diperoleh dari gambar dan Si adalah penurunan segera di sudut luasan empat persegi panjang.
Gambar 2.10 Diagram penentuan F1 dan F2 (Steinbrenner, 1934) Jika tanah elastis dan pondasi tidak terletak dipermukaan tanah, koreksi penurunan perlu diadakan. Fox dan Bowles (1977), nilai koreksi merupakan fungsi dari Df/B, L/B, dan μ dimana L dan B adalah dimensi fondasi, Df kedalaman pondasi. 𝑆𝑖 ′ = 𝛼 . 𝑆𝑖 … … … … … … … . (2.7) dengan, Si’
= Penurunan elastis yang telah di koreksi.
Si
= Penurunan elastis pada hitungan dengan dasar pondasi di permukaan.
α
= Faktor koreksi dasar pondasi kedalaman Df.
29
Gambar 2.11 Faktor Koreksi Penurunan Elastis Pondasi Empat Persegi (Fox & Bowles, 1977) 4. Penurunan segera pada pondasi kaku Penurunan segera pada pondasi kaku dipermukaan sekitar 7% lebih kecil dari penurunan rata-rata pondasi fleksibel dengan dimensi yang sama (Schleicher, 1926) sehingga penurunan pondasi kaku = 0,93 x penurunan fleksibel. Penurunan konsolidasi terjadi pada tanah berbutir halus yang terletak dibawah muka air tanah. Penurunan ini butuh waktu yang lamanya tergantung pada kondisi lapisan tanah. Bila tanah mengalami pembebanan dan berkonsolidasi maka penurunan tersebut berlangsung dalam 2 fase yaitu a. Fase Penurunan Segera (Immediately Settements) Penurunan terjadi segera setelah beban bekerja, diakibatkan oleh keluarnya udara dari rongga pori. Proporsi penurunan awal dapat
30
diberika dalam perubahan angka pori dan dapat ditentukan dari kurva waktu terhadap penurunan dari uji konsolidasi. b. Fase konsolidasi Menurut Hary Christady Hardiyatmo, bila tanah lempung jenuh terendam air dibebani mendadak, tekanan akibat beban tersebut ke tanah selain menyebabkan kompresi elastis yang menyebabkan penurunan segera (immediately settlement), juga menyebabkan kelebihan tekanan air pore (excess pore pressure). Pengurangan kelebihan tekanan air pori, hanya dapat terjadi jika air meninggalkan rongga pori lapisan tanah tertekan. Pengurangan volume air di dalam rongga pori, menyebabkan volume tanah berkurang. Dikarenakan permeabilitas tanah lempung yang rendah, perubahan volume tersebut berlangsung lama dan merupakan fungsi dari waktu. Tanah yang sedang mengalami proses demikian disebut tanah berkonsolidasi dan perubahan volume dalam arah vertikalnya
disebut
konsolidasi
primer
penurunan terjadi
konsolidasi
sampai
tekanan
primer. air
pori
Proses dalam
keseimbangan dengan tekanan hidrostatis air tanah di sekitarnya. Dalam kenyataan, walaupun kelebihan tekanan air pori telah nol, penurunan akibat rangkak (creep) terjadi pada tegangan efektif yang telah konstan. Penurunan pada periode ini disebut penurunan konsolidasi sekunder.
31
Besarnya penurunan konsolidasi lempung sangat bergantung pada sejarah geologi lapisannya yaitu apakah lempung terkonsolidasi normal (normally consolidated) atau terkonsolidasi berlebihan (over consolidated). Cara pendekatan untuk membedakan kedua jenis tanah lempung tersebut, dapat dilakukan sebagai berikut : 1. Dari mengetahui sejarah geologi lapisan tanah dengan cara mengetahui historis tebal lapisan tanah waktu lampau. 2. Dengan cara yang diberikan Casagrande (1936), yaitu terlihat di gambar 2.11. Jika pc’>po’ lempung termasuk terkonsolidasi berlebihan (overconsolidated). Jika pc’=po’ lempung termasuk terkonsolidasi normal (normally consolidated).
Gambar 2.12 Penentuan tekanan prakonsolidasi (Casagrande, 1936) 3. Dengan membandingkan kuat geser undrained (tak tedrainasi) yang sesuai dengan karakteristik lempung terkonsolidasi normal sehubungan dengan hubungan kuat geser tak drainasi dan nilai indeks plastisitasnya (PI) (gambar 2.12). Jika kuat gesernya 32
diperoleh lebih tinggi dari lempung terkonsolidasi normal, diperkirakan
lempung
tersebut
termasuk
terkonsolidasi
berlebihan.
Gambar 2.13 Hubungan kuat geser undrained (Cu) dengan indeks plastisitas (PI) lempung terkonsolidasi normal (Skempton, 1957)
4. Dengan membandingkan angka kompresibilitas Cc , akibat tekanan overburden efektif (po’) dengan perkiraan Cc untuk lempung terkonsolidasi normal, yaitu Cc = 0,009 (LL-10). Jika Cc pada tekanan po’
kurang dari nilai yang diharapkan untuk
lempung terkonsolidasi normal, lempung dapat diharapkan termasuk terkonsolidasi berlebihan. 5. Dengan menentukan indeks cair (LI) tanah lempung yaitu, 𝐿𝐼 =
𝑤𝑁 − 𝑃𝐿 … … … … … … … … (2.8) 𝐿𝐿 − 𝑃𝐿
dengan, LI
= indeks cair (%). 33
wN
= kadar air asli di lapangan (%).
PL
= batas plastis (%).
LL
= batas cair (%).
Lempung terkonsolidasi normal mempunyai indeks cair (LI) antara 0,6 sampai 1 dan lempung terkonsolidasi berlebih mempunyai indeks cair 0 sampai 0,6. Penurunan konsolidasi sekunder terjadi pada tegangan efektif konstan, yakni setelah penurunan konsolidasi primer berhenti. Besarnya penurunannya merupakan fungsi waktu (t) dan kemiringan kurva indeks pemampatan (Ca). Kemiringan Ca dinyatakan dalam persamaan : 𝐶𝑎 =
∆𝑒 … … … … … … … … (2.9) log(𝑡2 /𝑡1 )
Rasio pemampatan sekunder (secondary compression index), Cαε , dinyatakan oleh : Cαε = 𝐶𝑎⁄ … … … … … … … . (2.10) (1 + 𝑒𝑝 )
Besarnya penurunan sekunder dapat dihitung melalui persamaan : 𝑆𝑥 =
𝐶𝑎 𝑡2 𝐻 log … … … … … … … . . (2.11) 1 + 𝑒𝑝 𝑡1
Dimana, Sx
= penurunan konsolidasi sekunder.
H
= tebal benda uji awal atau tebal lapisan lempung
ep
= angka pori saat akhir konsolidasi primer
34
t
= waktu yang diukur setelah konsolidasi primer
pada waktu terjadinya konsolidasi sekunder, dua faktor dapat mempengaruhi prosesnya. Pertama, pengurangan volume tanah pada tegangan efektif konstan. Kedua, regangan vertikal akibat gerakan tanah secara lateral dibawah struktur. Terzaghi (1948) menyatakan bahwa kedua faktor tersebut dapat menghasilkan tipe penurunan yang sangat berbeda dari struktur yang satu ke struktur yang lainnya. Dari hasil penelitian Ladd (1971) dan lain-lainnya, Raymond dan Wahls (1976) mengenai asumsi-asumsi yang berkenaan dengan kelakuan tanah berbutir halus dalama mengalami penurunan konsolidasi sekunder sebagai berikut : 1. Ca tidak tergantung dari waktu (paling tidak selama masa waktu yang diperhatikan). 2. Ca tidak tergantung pada lapisan tanah. 3. Ca tidak tergantung dari LIR (Load Increment Ratio) , selama konsolidasi primer terjadi. 4. Nilai banding Ca/Cc secara pendekatan adalah konstan untuk kebanyakan tanah lempung terkonsolidasi normal yang dibebani dengan tegangan-tegangan yang besarnya normal.
35
Mesri dan Godlewski (1977) menyatakan bahwa nilai Ca bergantung pada tegangan konsolidasi, yaitu bergantung pada tegangan efektif akhir. Nilai-nilai Ca/Cc untuk kebanyakan macam tanah mendekati konstan telah dibuktikan oleh Mesri dan Godlewski (1977) dan hasilnya ditunjukkan dalam Tabel 2.5 Tabel 2.3 Nilai Ca/Cc beberapa macam tanah (Mesri dan Godlewski, 1977)
2.4.
Metode Perbaikan Tanah Lapisan tanah lunak umumnya terdiri dari tanah yang sebagian besar
terdiri dari butir-butir yang sangat kecil seperti lanau dan lempung. Dalam lapisan sedemikian, makin muda umur akumulasinya, makin tinggi letak muka air tanahnya. Lapisan muda demikian juga kurang mengalam pembebanan sehingga sifat mekanisnya buruk dan tidak mampu memikul beban berlebih. Sifat lapisan tanah yang lunak adalah gaya gesernya yang kecil, kemampatan yang besar dan koeffisien permeabilitasnya kecil. Jadi,
36
bilamana pembebanan konstruksi melampaui daya dukung kritis, maka akan terjadi kerusakan tanah pondasi. Meskipun intensitas beban itu kurang dari daya dukung kritis, dalam jangka panjang besarnya penurunan akan meningkat akhirnya akan mengakibatkan berbagai kesulitan. Gejala kerusakan tanah pondasi atau penurunan tambahan bukan hanya akan menyebabkan konstruksi itu tidak berfungsi sebagaimana mestinya, melainkan dapat mengakibatkan permukaan tanah di sekeliling konstruksi itu akan naik dan turun, atau penurunan muka air tanah serta penggenangan air di area konstruksi. Besarnya penurunan dapat diperkirakan dengan menghitung konsolidasi lapisan lunak berdasarkan data penurunan di lapangan yang di observasi. Pedoman dari “Japan Road Association” mengenai pekerjaan tanah untuk jalan menyebutkan bahwa penurunan residual yang diizinkan pada badan tanggul jalan jembatan atau sambungan bagian-bagian tinggi adalah kira-kira 10-30 cm atau kurang selama 3 tahun setelah perkerasan dibangun. Data ini telah diperoleh dengan metode yang mencerminkan keadaan sebenarnya di lapangan. Bilamana suatu badan tanggul jalan dibangun di atas suatu lapisan tanah lunak, perbedaan penurunan selalu akan mengakibatkan terjadinya gelombang-gelombang jalan yang harus sering diperbaiki. Prosedur umum mengenai tindakan terhadap lapisan dasar tanah lunak, sebaiknya dilakukan sesuai dengan prosedur yang diperlihatkan pada Gambar 2.14
37
Gambar 2.14 Prosedur Tindakan Pekerjaan Untuk Lapisan Lunak Prinsip dasar perbaikan tanah pada dasarnya adalah memperbaiki karakteristik mekanis tanah. Sehingga dapat dijabarkan berbagai macam metode perbaikan tanah sebagai berikut 2.4.1 Metode Perbaikan dengan Bahan Perkuatan Metode ini bermaksudkan suatu lapisan lunak ditambahkan benda/material kaku atau yang lebih kokoh. Secara umum, klasifikasi jenis perkuatan berdasarkan jenis bahan dan system arah perkuatannya antara lain arah vertikal dan horisontal. Dimana faktor efektivitas dari masalah keamanan dan biaya menjadi penting. Disamping itu, perencanaan atau metode untuk perbaikan tanah dengan bahan perkuatan disesuaikan dengan jenis perkuatan yang dipilih.
38
Tabel 2.4 Klasifikasi Bahan Perkuatan Tanah
a. Tipe Perkuatan dengan Batu/Pasir Dalam praktek, dapat dibuat beberapa tipe perkuatan dengan susunan batu atau pondasi dangkal. Perkuatan dangkal bias bermacam-macam bentuk, misalnya tipe menerus atau cukup dari susunan batu kali atau batu belah. Prinsip keseimbangan perkuatan dangkal dimana gaya luar ditahan oleh kohesi dan gaya geser dalam tanah sepanjang bidang geser. Secara mekanika maka, 𝑄 = 𝑎. 𝑐 . 𝑁𝑐 + 𝛾 . 𝐵 . 𝑁𝛾 + 𝑏 . 𝛾 . 𝐷 . 𝑁𝑞 … … … … … … . (2.12) Dimana, Q
= daya dukung tanah, kg/cm2
C
= kohesi tanah, kg/cm2
γ
= berat volume basah, kg/cm3
B
= lebar pondasi, cm
D
= dalam dasar pondasi, cm 39
Nc, Nγ, Nq = faktor daya dukung tanah Untuk tapak memanjang, a = 1, b = 0,5. Untuk tapak persegi empat, a = 1,3 , b = 0,4 Untuk pondasi bulat, a = 1,3 , b = 0,3 b. Tipe Perkuatan dengan Cerucuk Sistem perkuatan dengan kumpulan kayu cerucuk merupaka metode yang tepat pada tanah lunak dikarenakan sebagai memperkuat gaya geser tanah, kayu dapat menyerap air sehingga pada saat dipancang kedalam tanah, kayu dapat menancap dengan baik.
Gambar 2.15 Konfigurasi Pemasangan Cerucuk Kayu c. Tipe Perkuatan dengan Sistem Anyaman Bambu atau Geogrid Perkuatan dengan sistem ini adalah perkuatan secara horisontal seperti anyam bambu (PLTA Semarang atau Pemecah ombak pelabuhan ikan Muara Karang, Jakarta) yang diikat satu dengan lainnya. Pada sistem ini digunakan kayu yang tahan air terutama di
40
daerah dengan muka air yang tinggi. Sistem ini efektif untuk perkuatan badan jalan dan timbunan. Sistem perkuatan sintetis dibuat secara pabrikasi dari bahan polymer dikenal dengan nama pasar geogrid. Banyak tipe geotextile yang telah diproduksi oleh pabrik-pabrik dengan kualitas yang berbeda serta perunjukan pemakaian yang berbeda pula.
Gambar 2.16 Jenis-jenis Geogrid 2.4.2 Metode Perbaikan Permukaan Metode ini diterapkan bilamana lapisan permukaan tanah itu sangat lunak. Tujuan metode ini untuk meningkatkan kekuatan tanah di sekitar permukaan tanah dengan menggunakan drainasi, bahan lembaran tipis dan bahan-bahan tambahan. Permukaan tanah akan terhindar dari deformasi geser local sehingga alat-alat berat dapat bekerja dengan lancar dan beban timbunan akan didistribusikan secara merata ke tanah dasar. Dalam kelompok metode jenis ini termasuk metode drainasi permukaan (surface
41
drainage method), metode alas pasir (sand mat method), metode bahan lembaran tipis (sheet material) dan metode bahan tambahan. Metode drainasi permukaan adalah penggalian di permukaan tanah sebelum pelaksanaan penimbunan untuk mengalirkan air permukaan dan mengurangi kadar air tanah sehingga memungkinkan alat-alat berat bergerak. Seringkali saluran itu diisi dengan kerikil yang mempunyai permeabilitas yang baik yang dapat berfungsi sebagai drainasi parit (drainasi penampang tertutup) sehinga pelaksanaan dapat berlangsung lancar di atasnya. Pelaksanaan saluran drainasi harus dipertimbangkan perubahan gradient air tanah yang dapat terjadi oleh penurunan tanah akibat penimbunan sehingga air tidak akan mengalir dari saluran ke dalam lokasi pembangunan. Dimensi saluran umumnya kira-kira 0,50 m lebar dan 0,50 – 1,00 m dalam dan diisi dengan pasir atau kerikil. Metode alas pasir (sand mat method) menggambarkan bahwa di atas tanah lunak itu dihamparkan pasir secara merata setebal kira-kira 0,50 – 1,20 m yang mempunyai fungsi sebagai drainasi bagian atas proses konsolidasi lapisan lunak itu. Biasanya di samping lapisan pasir ini sering dibuatkan juga drainasi vertikal, tetapi bilamana lapisan lunak itu tidak tebal, cukup diberikan hamparan lapisan pasir. Pasir yang cocok untuk digunakan sebagai alas pasir adalah pasir yang mempunyai fraksi kurang dari 3% melalui ayakan 74µ. Dalam pelaksanaannya, alas pasir ini tidak boleh dibebani berlebihan oleh alat-alat yang digunakan. Bila bahan timbunan yang digunakan itu merupakan jenis tanah lanau yang mempunyai 42
permeabilitas yang sangat kecil, maka harus diusahakan supaya ujung tepi alas pasir yang dihamparkan itu tidak akan tersumbat. Tebal lapisan pasir itu harus menjamin kelancaran pekerjaan alat-alat berat. Untuk itu dianjurkan agar menggunakan harga standar seperti tertera pada Tabel 2.5 Tabel 2.5 Tebal Standar Hamparan Pasir Daya dukung permukaan konus (kg/cm2) 2,0 dan lebih 2,0-1,0 1,0-0,75 0,75-0,5 0,5 dan kurang
Tebal hamparan pasir (cm) 50 50-80 80-100 100-120 120
Metode bahan hamparan (Method of sheet materials) adalah metode yang menggunakan lembaran atau jaringan serat kimia yang diletakkan di atas lapisan yang lunak. Penimbunan kemudian dilaksanakan di atas lembaran yang diletakkan ini. Tujuan metode ini adalah untuk menjamin lalu lintas alat-alat berat atau memperbaiki daya dukung tanah. Kekuatan regang (tensile strength) lembaran dapat memberikan perlawan aliran horizontal tanah. 2.4.3 Metode Perpindahan (Displacement Method) Pada metode ini, lapisan yang lunak diganti dengan bahan tanah yang baik untuk memperbaiki daya dukung tanah dan mengurangi besarnya penurunan akibat konsolidasi. Metode ini dibagi dalam dua jenis. Pertama, sesudah penggalian lapisan lunak dengan alat berat, bahan tanah yang
43
baik dimasukkan dan dipadatkan dan kedua tanah yang lunak itu didesak dengan beban timbunan tanah yang baik atau didesak dengan ledakan. 2.4.4 Metode Timbunan Imbangan Berat (Counterweight fill method) Maksud metode ini untuk mengimbangi sisi tanggul supaya stabil bilamana tidak diperoleh faktor keamanan yang diperlukan terhadap longsoran selama penimbunan dilaksanakan. Akan tetapi, mengingat metode ini membutuhkan pelebaran dasar timbunan, maka kemungkinan besar metode ini tidak ekonomis bilamana pembebasan tanah pada lokasi pembangunan sulit atau bahan timbunan yang digunakan itu mahal. Metode ini sangat berguna digunakan sebagai tindakan untuk mengatasi timbunan yang tidak stabil atau terhadap longsoran timbunan yang terus terjadi sementara pelaksanaan timbunan masih berlangsung. Bilamana metode imbangan berat diterapkan sejak permulaan pembuatan rencana maka biasanya analisa stabilitasnya diadakan secara kontinu. Imbangan berat yang dibutuhkan dari momen penahan yang diperlukan pada lingkaran kritis longsoran kemudian ditentukan bentuk penampang melintang timbunan imbangan tersebut. Sebaliknya bilamana metode ini digunakan sebagai tindakan darurat atau tindakan perbaikan, maka harus diselidiki letak bidang longsoran yang terjadi. Dalam analisa stabilitas, bidang ini diambil sebagai lingkaran kritis. Kekuatan tanah kemudian dihitung untuk menentukan dimensi timbunan imbangan berat.
44
2.4.5 Metode Pembebanan Metode ini diterapkan untuk mengusahakan konsolidasi lapisan yang lunak dan memperbesar gaya geser tanah. Untuk mengusahakan konsolidasi, beban konsolidasi itu ditempatkan terlebih dahulu sebelum konstruksi utama dilaksanakan. Suatu metode yang disebut prapembebanan (preloading) adalah penimbunan beban yang sama besarnya dengan beban konstruksi yang akan dilaksanakan yang kemudian disingkirkan sewaktu konstruksi mulai dilaksanakan, maka metode ini disebut metode beban tambahan (surcharge method).
Gambar 2.17 Metode Preloading pada Tanah Lunak Seperti yang kita ketahui, deformasi konsolidasi tidak dapat pulih kembali (irreversible), jadi besarnya penurunan sisa (residual settlement) menjadi kecil. Meskipun metode ini tidak menyebabkan kerusakan tanah, bilamana kekuatan tanah rendah, maka perlu dipertimbangkan penerapan bersama metode drainasi vertikal atau bersamaan pembebanan perlahanlahan. Untuk mengetahui tahapan penurunan yang disebabkan oleh
45
konsolidasi diperlukan data lapangan yang diperoleh dengan pemasangan alat ukur penurunan atau alat ukur tekanan air pori. 2.4.6 Metode Pembebanan Perlahan-Lahan Metode ini diterapkan bilamana kekuatan geser tanah tidak besar dan cenderung runtuh jika timbunan dilaksanakan dengan cepat. Untuk menghindari keruntuhan, maka kecepatan pekerjaan timbunan harus diperlambat. Metode ini membutuhkan waktu yang cukup lama, tetapi tidak membutuhkan peralatan pembangunan dan bahan tertentu. Metode ini ekonomis untuk dilaksanakan bilaman tersedia waktu pelaksanaan yang cukup dan umumnya selalu dipilih lebih dahulu sebagai tindakan terhadap lapisan tanah yang lunak daripada metode lainnya.
Gambar 2.18 Perbandingan Kecepatan tiap Pemberian Pembebanan 2.4.7 Metode Penurunan Muka Air Tanah Metode ini berdasarkan prinsip yaitu dengan menurunkan muka air tanah, tekanan efektif vertikal meningkat dari : 𝑃0′ = 𝑃 − 𝛾𝑤 . 𝑧
… … … … … … … … (2.13) Menjadi
𝑃0′ = 𝑃 − 𝛾𝑤 . (𝑧 − ∆𝑧)
… … … … … … … … (2.14) 46
Jadi peningkatan ini sebanding dengan peningkatan 1t/m 2 untuk penurunan muka air sebesar 1 m. tinggi teoritis pemompaan ke atas bilamana digunakan titik sumur (well point) adalah 10,3 m akan tetapi mengingat kehilanagn tinggi tekanan atau tenaga, penurunan muka air hanya akan mencapai 5,50 – 6,00 m. Metode ini dapat diterapkan dengan efektif untuk tanah yang mempunyai lapisan pasir pada bagian atas dan bagian tengahnya dengan koefisien permeabilitas kira-kira, k = 10-1 – 10-4 cm/dtk. 2.4.8 Metode Pembebanan Tekanan Atmosfir Suatu lapisan pasir diletakkan di atas lapisan yang lunak kemudian ditutup dengan suatu selaput yang kedap udara. Udara dalam lapisan pasir dipompa keluar sehingga tekanan udara dapat dimanfaatkan sebagai beban konsolidasi. Secara teoritis dapat diperoleh beban sebesar kira-kira 10 t/m2, akan tetapi oleh adanya kebocoran maka dalam praktek hanya diperoleh tekanan sebesar 5-6 t/m2. Biaya penggunaan pompa vakum adalah besar, sehingga pembebanan untuk suatu jangka lama tidak praktis digunakan metode ini. 2.4.9 Metode Drainasi Vertikal Dengan metode ini, jarak antara drainasi untuk konsolidasi berkurang oleh kolom drainasi yang dibuat menembus lapisan-lapisan lunak tanah yang kohesif. Dapat dilihat bahwa jarak drainasi tanpa drainasi vertikal adalah H/2 sedangkan dengan drainasi vertikal, jarak drainasi adalah sama dengan jarak antara kolom-kolom drainasi. 47
Metode drainasi vertikal ini sering diterapkan bersama-sama dengan metode pembebanan perlahan-lahan atau dengan metode pembebanan. Ada beberapa jenis bahan yang digunakan untuk drainasi vertikal, sehingga drainasi-drainasi disebut juga sesuai bahan yang digunakan seperti drainasi pasir (sand drain method), metode drainasi sumbu kertas karton (cardboard wicks drain method) dan metode drainasi kertas plastik (plastic board drain method). 1. Metode Drainasi Pasir Drainasi pasir terdiri atas kolom-kolom pasir yang dibuat secara vertikal dalam lapisan tanah lunak. Metode ini dibagi dalam beberapa jenis, sesuai dengan metode pelaksanaannya yakni jenis dorongan (driven type), jenis vibroflotasi (vibrofloation type) dan jenis jet air (water jet type). Waktu t yang diperlukan untuk konsolidasi lapisan tanah kohesif sebelum digunakan metode drainasi adalah 𝑇𝑣 𝐻 2 𝑡= ( ) 𝐶𝑣 2
… … … … … … (2.15)
Sewaktu dibuatkan drainasi pasir, maka dengan asumsi bahwa tanah dapat diganti dengan suatu model silender dan air pori mengalir secara horizontal ke arah drainasi pasir itu, waktu konsolidasi menjadi 𝑡=
𝑇𝑣 𝑑 2 𝐶ℎ 𝑒
… … … … … … (2.16)
dimana,
48
t
= waktu konsolidasi (hari)
Th = faktor waktu konsolidasi horisontal Ch = koefisien konsolidasi horisontal (m2/hari) de = panjang efektif (m) bilamana ruang antar kolom pasir = d , maka untuk susunan segitiga sama sisi, de = 1,05 d dan untuk susunan bujur sangka, de = 1,13 d. jadi semakin pendek ruang antar kolom-kolom, semakin pendek pula waktu konsolidasinya.
Gambar 2.19 Lengkungan Konsolidasi Pengaruh Drainasi Pasir (Takagi) Panjang drainasi pasir ditentukan oleh tebal lapisan tanah kohesif atau dalamnya tanah yang akan diperbaiki. Akan tetapi mengingat kolom drainasi yang terlalu panjang akan sulit dilaksanakan dan mahal, maka panjang kolom drainasi dibatasi sampai kira-kira 25-30 m. Diameter dw dari kolom pasir ditentukan antara 25-50 cm yang tergantung dari mesin penggali. Sehingga dimensi yang ditentukan dalam perencanaan drainasi pasir adalah ukuran efektif de atau harga n = de/dw. Jika de telah
49
ditentukan, maka pada tahap berikut diperkirakan peningkatan kekuatan geser lapisan tanah kohesif itu pada keadaan konsolidasi 80%-90%. Kemudian menentukan beban yang diijinkan pada tahap ini dengan menggunakan kekuatan geser rata-rata. Peningkatan gaya geser rata-rata tanah bersamaan dengan kemajuan konsolidasi dihitung dengan persamaan berikut : 𝐶𝑢 ⁄𝑝 = 0,25 ~ 0,35 … … … … … … … (2.17) 𝐶𝑢 ⁄𝑝 = 0,11 + 0,0037𝐼𝑝 … … … … … (2.18) Dimana,
Cu
= Kekuatan tanpa drainasi lempung
P
= Beban konsolidasi
Ip
= Indeks plastisitas
2. Metode Sumbu Kertas Karton (Cardboard Wicks Method) dan Metode Drainasi Ketas Plastik (Plastic Board Drain Method). Metode ini berdasarkan prinsip yang sama dengan metode drainasi pasir. Perbedaannya adalah bahwa metode-metode ini tidak menggunakan pasir tetapi menggunakan bahan kertas karton atau vinylchlorida. Metode sumbu kertas karton telah dikembangkan oleh laboratorium di Swedia. Kertas karton yang mempunyai alur drainasi (Gambar 2.20), didorong ke dalam lapisan tanah sesuai dengan prosedur.
50
Bahan kertas karton yang digunakan mempunyai kualitas yang tetap, ringan, dan mudah dikerjakan. Mesin yang ringanpun dapat digunakan untuk mendorong bahan ini. Jadi metode ini dapat
diterapkan
di
tanah
yang
sangat
lunak
yang
permeabilitasnya lebih buruk daripada pasir, k = 10 -3 – 10-10 cm/dtk.
Gambar 2.20 Pemancangan Kertas Karbon 2.5.
Penerapan
Metode
Preloading
Dikombinasikan
dengan
Prefabricated Drain dalam Permasalahan Tanah Lunak Seiring dengan meningkatnya jumlah penduduk, urbanisasi, dan pembangunan, banyak kegiatan konstruksi yang semakin fokus terhadap perilaku tanah. Apalagi dengan kondisi tanah yang beragam dan tidak selalu sama pada masing-masing areal konstruksi sehingga mengharuskan ketelitian dalam perencanaan dan pelaksanaan konstruksi itu sendiri. Untuk mengatasi kondisi tanah yang tidak sesuai dengan yang diharapkan, maka ada
51
beberapa teknik yang digunakan dalam rangka meningkatkan mutu tanah tertentu, diantaranya yaitu teknik preloading dan vertical drain. Preloading dan vertical drain pada dasarnya bertujuan untuk
meningkatkan kekuatan geser pada tanah, mengurangi
kompresibilitas/kemampumampatan
tanah,
dan
mencegah
penurunan (settlement) yang besar serta kemungkinan kerusakan pada struktur bangunan. Preloading dan vertical drain umumnya digunakan pada tanah dengan daya dukung yang rendah seperti pada tanah lempung lembek dan tanah organik. Jenis tanah tersebut biasanya memiliki ciri seperti berikut : kadar air yang ekstrim, kompresibilitas yang besar, dan koefisien permeabilitas yang kecil. Pada prinsipnya teknik preloading menggunakan vertical drains merupakan metode perkuatan tanah dengan cara mengurangi kadar air dalam tanah (dewatering). Biasanya waktu konsolidasi yang dibutuhkan untuk jenis tanah seperti ini memakan waktu yang lama meski dengan menggunakan beban tambahan yang besar, sehingga teknik preloading mungkin kurang cocok untuk jadwal kontruksi yang mepet. Ilustrasinya dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
52
Gambar 2.21 Ilustrasi dari Aliran pada Metode Preloading
Jika beban sementara melebihi beban akhir konstruksi maka kelebihan beban tersebut mengacu kepada beban tambahan (surcharge), dimana dengan menggunakan beban tambahan sementara (surcharge) yang melebihi beban kerja, tanah akan berada pada kondisi overconsolidated dan secondary compression untuk tanah overconsolidated akan jauh lebih kecil daripada tanah dengan normally consolidated. Hal ini akan menguntungkan perencanaan tanah selanjutnya (Chu et all., 2004). Pada tahun 1925, Daniel E. Moran memperkenalkan pemakaian drainase dari kolom-kolom pasir untuk stabilitas tanah pada kedalaman yang besar dan selanjutnya keberhasilan drainase tipe ini dipakai disebelah barat benua Amerika (Amerika Serikat) dan pada tahun 1944 disebelah timur negara tersebut. Tipe drainase selanjutnya dikenal dengan drainase vertikal. Sejak tahun itu,
53
pemanfaatan drainase vertikal yang dikenal dengan metode vertikal drain berkembang demikian pesat, umumnya dalam pekerjaanpekerjaan konstruksi timbunan untuk jalan raya, tanggul, tanah hasil reklamasi pantai. Pada tahun 1936, diperkenalkan sistem vertikal drain dengan bahan sintesis oleh Kjellman di Swedia. Setelah di tes di beberapa tempat pada tahun 1937 dengan bahan calboard wick mendapat sambutan yang hangat dari para ilmuwan. Sejak saat itu pengembangan vertikal drain dilanjutkan menggunakan berbagai macam bahan. Ini dilakukan para ilmuan agar dapat mempercepat waktu penurunan konsolidasi yang lama. Pengembangan yang terbaru bagi vertikal drain adalah vertikal drain sintesis. Dengan memenuhi persyaratan untuk kelayakan vertikal drain dan bahkan vertikal drain sintesis dapat mempercepat waktu penurunan konsolidasi lebih cepat dari bahan-bahan terdahulunya sehingga menjadi pilihan utama saat mengatasi masalah konsolidasi. 2.5.1 Vertikal Drain Konvensional Tipe ini klasik yang sudah banyak digunakan. Bahan yang digunakan adalah bahan bergradasi atau pasir (sand drain). Umumnya terdiri dari pasir atau kerikil yang mempunyai permeabiitas tinggi. Metode tradisional dalam membuat vertikal drain adalah dengan membuat lubang bor pada lapisan lempung dan mengurung kembali dengan pasir yang bergradasi sesuai diameternya sekitar 200 - 400
54
mm dan saluran drainasi tersebut dibuat sedalam lebih dari 30 m. Pasir harus dapat dialiri air secara efisien tanpa membawa partikelpartikel tanah yang halus. Drainasi cetakan juga banyak digunakan dan biasanya Iebih murah daripada drainasi urugan untuk suatu daerah tertentu. Salah satu jenisnya adalah drainasi prapaket (prepackage drain) yang terdiri dari sebuah selubung filter, biasanya dibuat dari polypropy¬lene, yang diisi pasir dengan diameter 65 mm. Jenis ini sangat fleksibel dan biasanya tidak terpengaruh oleh adanya gerakan-gerakan tanah lateral. 2.5.2 Vertikal Drain Sintetik Vertikal drain sintetik umunya berbentuk strip dan terdiri dari dua komponen utama yaitu inti plastik yang dibungkus dengan material geosintesis. Inti plastik berfungsi sebagai penyalur air dan pembungkus
sebagai
filter
bagi
partikel
tanah
halus.
Dibanding dengan vertikal drain dari bahan pasir (sand drain), vertikal drain sintesis mempunyai beberapa keuntungan menurut Young (1997), diantaranya : 1. Gangguan tanah akibat pemasangan lebih kecil. 2. Alat-alat pemasangan lebih ringan. 3. Meniadakan kontrol kualitas pasir dilapangan. 4. Kualitas vertikal drain sintesis lebih seragam. 5. Menjamin jalur drainase yang kontinyu. 6. Kontaminasi partikel halus jauh lebih kecil.
55
7. Menahan deformasi yang besar tanpa menghilangkan fungsinya. 8. Lebih cepat pemasangannya dan lebih ekonomis.
Gambar 2.22 Vertikal Drain Sintetik (PVD)
Karena alasan-alasan tersebut metode sand drain semakin jarang digunakan dan banyak yang memilih menggunakan vertikal drain jenis sintesis. 2.5.3 Horisontal Drain Sintetik Hampir sama dengan peranan pada vertikal drain sintetik, akan tetapi pemasangan horisontal drain sintetik berada dipermukaan tanah lunak yang akan diperbaiki. Pola aliran air yang terembes oleh vertikal drain, dialirkan menuju horisontal drain lalu dialirkan menuju penampungan
yang
sengaja
dibuat
atau
sungai.
Pada
pemasangannya, vertikal drain dan horisontal drain diikatkan agar kombinasi dari aliran air tidak terputus.
56
2.6.
Penerapan Analisa Numerik pada Aplikasi di bidang Geoteknik Analisis dengan metode elemen hingga (FEM) digunakan untuk memprediksi besarnya deformasi tanah dengan perkuatan, selain itu, kita dapat memperkirakan perilaku elastis, perilaku plastic dan potensi kegagalan (batas ultimate) yang didasarkan pada kondisi awal yang benar. Untuk tujuan ini, kondisi awal yang benar, model yang tepat dan penggunaan analisa numerik yang benar harus dipersiapkan sebelum analisis. Pilihan model tanah seperti kompresibilitas dengan rangkak adalah suatu pendekatan yang cocok untuk tanah gambut terutama untuk perhitungan penurunan (Erly Bahsan et al. 2004). Plaxis adalah paket program elemen hingga yang telah dikembangkan secara khusus untuk analisis deformasi dan stabilitas di proyek geoteknik yang menggunakan metode FEM. Prosedur input grafis yang sederhana memungkinkan penghitungan cepat dan kompleks pada model elemen hingga, dan hasil komputasi yang tepat. Perhitungan itu sendiri sepenuhnya otomatis dan berdasarkan prosedur numerik yang tepat. Dalam merampungkan mesh, cluster dibagi menjadi elemen segitiga. Sebuah pilihan yang dapat dibuat antara 15 elemen node dan 6 elemen node (Gambar 2.23). Simpul dengan 15 elemen memberikan perhitungan dan potensi kegagalan konstruksi yang akurat, sedangkan perhitungan dengan 6 elemennode memberikan proses komputasi yang lebih cepat.
57
titik tegangan
Titik Nodal Segitiga 6 titik nodal Segitiga 15 titik nodal Gambar 2.23 Elemen Node yang Terdapat pada Plaxis Aplikasi geoteknik umumnya membutuhkan model konstitutif tingkat lanjut untuk memodelkan perilaku tanah maupun batuan yang non-linear, bergantung pada waktu serta anistopis. Progam Plaxis dilengkapi oleh beberapa fitur untuk menghadapi berbagai aspek struktur dan geoteknik yang kompleks. Ringkasan mengenai fiturfitur penting dalam plaxis antara lain adalah sebagai berikut. Pembuatan model geometi secara grafis : Masukan berupa pelapisan tanah, elemen-elemen struktur, tahapan konstruksi, pembebanan
serta
kondisi-kondisi
batas
dilakukan
dengan
menggunakan prosedur grafis yang mudah dengan bantuan komputer, yang memungkinkan pembuatan model geometri berupa
58
penampang melintang yang mendetail. Dari model geometri ini jaring elemen hingga 2D dapat dengan mudah dibentuk. Pembentukan jaring elemen secara otomatis : plaxis secara otomatis akan membentuk jaring elemen hingga 2D yang acak dengan pilihan untuk memperhalus jaring elemen secara global maupun lokal. Program penyusun jaring elemen hingga 2D merupakan vesi khusus dari program Triangle. Elemen ordo tinggi : tersedia elemen segitiga kuadratik dengan 6 buah titik nodal dan elemen segitiga ordo keempat dengan 15 buah titik nodal untuk memodelkan deformasi dan kondisi tegangan dalam tanah. Pelat : elemen balok khusus dapat digunakan untuk memodelkan lentur dari dinding penahan, lining terowongan, elemen cangkang serta struktur-struktur tipis lainnya. Perilaku dari elemen-elemen ini diatur oleh kekakuan lentur, kekakuan arah normal penampang dan momen lentur batas. Sendi plastis dapat digunakan untuk elemen pelat yang bersifat elastoplastis saat momen batas termobilisasi. Elemen pelat dengan antarmuka dapat digunakan untuk melakukan analisis yang realistis dari struktur-struktur geoteknik. Antarmuka : elemen antar muka atau elemen penghubung dapat digunakan untuk memodelkan interaksi tanah-stuktur. Sebagai contoh, elemen-elemen ini dapat digunakan untuk memodelkan zona tipis diantara lining terowongan dengan tanah disekelilingnya
59
yang mengalami intensitas geser yang tinggi. Nilai sudut geser dan kohesi dari elemen antarmuka umumnya berbeda dengan nilai sudut geser dan kohesi dari tanah disekitarnya. Angkur : Elemen pegas elastoplastis digunakan untuk memodelkan pengangkuran dan penopang horizontal. Perilaku elemen-elemen ini diatur oleh kekakuan normal penampang dan sebuah gaya maksimum. Sebuah pilihan khusus juga tersedia untuk analisis pada angkur tanah prategang ataupun system penopang prategang lainnya pada galian. Geogrid : geogrid (geotekstil) sering digunakan dalam praktek untuk timbunan yang membutuhkan perkuatan atau untuk struktur penahan tanah. Elemen-elemen ini dapat dimodelkan dalam plaxis dengan menggunakan elemen-elemen yang khusus untuk menahan gaya tarik. Elemen ini juga dapat dikombinasikan dengan elemen antar
muka
untuk
memodelkan
interaksi
dengan
tanah
disekelilingnya. Model Moh-Coulomb : model yang sederhana namun handal ini didasakan pada parameter-parameter tanah yang telah dikenal dengan baik dalam praktek rekayasa teknik sipil. Walaupun demikian, tidak semua fitur non-linear tercakup dalam model ini. Model Mohr-Coulomb dapat digunakan untuk menghitung tegangan pendukung yang realistis pada muka terowongan, beban batas pada pondasi dan lain-lain. Model ini juga dapat digunakan untuk
60
menghitung faktor keamanan dengan menggunakan pendekatan ‘reduksi phi-c’. Model tanah dari pengguna : sebuah fitur khusus dalam Plaxis Versi 8 adalah pilihan untuk membuat suatu model tanah yang didefinisikan oleh pengguna. Fitur ini memungkinkan pengguna untuk menerapkan model tanah yang didefinisikan sendiri oleh pengguna dalam perhitungan. Pilihan ini ditujukan terutama untuk para peneliti dan ilmuwan di perguruan-perguruan tinggi dan pusatpusat penelitian, tetapi tetap dapat berguna juga untuk para praktisi. Dalam
tahun-tahun
mendatang,
model-model
tanah
yang
didefinisikan sendiri oleh pengguna dan yang telah divalidasi diharapkan dapat tersedia melalui jaringan internet. Tekanan air pori hidrostatis : distribusi tekanan air pori yang kompleks dapat dihitung berdasarkan elevasi dari grafis freatik atau masukan langsung berupa nilai-nilai tekanan air. Sebagai alternatif, perhitungan aliran air statis dalam tanah dapat dilakukan untuk memperoleh distribuisi tekanan air pori pada amasalah-masalah aliran statis atau rembesan. Analisis konsolidasi : semakin berkurangnya tekanan air pori berlebih terhadap waktu dapat dihitung dengan menggunakan sebuah
analisis
konsolidasi.
Suatu
perhitungan
konsolidasi
membutuhkan masukan berupa koefisien permebilitas tanah untuk tiap lapisan tanah. Penggunaan prosedur peningkatan langkah
61
waktu secara otomatis akan membuat analisis menjadi mudah dilakukan namun tetap handal. Tampilan dari keluaran : program plaxis memiliki fitur-fitur grafis yang sangat baik untuk menampilkan hasil-hasil dari perhitungan. Nilai-nilai perpindahan, tegangan, regangan dan gaya-gaya dalam dari elemen struktural dapat diperoleh dari tabel keluaran. Keluaran berbentuk grafis maupun tabel dapat langsung dicetak, disimpan ke media penyimpan ataupun langsung ke dalam memori clipboard dari windows untuk dapat digunakan dalam perangkat lunak lain. Lintasan tegangan : sebuah pilihan khusus tersedia untuk menggambarkan kurva beban terhadap perpindahan, lintasan tegangan atau jalur tegangan, lintasan regangan, kurva teganganregangan serta kurva penurunan terhadap waktu. Visualisasi dari lintasan tegangan akan memberikan informasi yang berharga terhadap prilaku tanah secara lokal dan memungkinkan analisis yang mendetail terhadap hasil dari perhitungan dengan menggunakan Plaxis.
62
