DAYA DUKUNG PONDASI MENERUS PADA PEMODELAN LERENG YANG DIPERKUAT TIANG BAMBU KOMPOSIT As’ad Munawir1,Sri Murni Dewi2, Agoes Soehardjono,MD3 dan Yulvi Zaika4 1,2,3,4
Dosen Jurusan Teknik Sipil Universitas Brawijaya Malang Jl. MT Haryono 167 Malang 65145 Indonesia e-mail :
[email protected]
ABSTRAK Beberepa studi penelitian perkuatan lereng telah dilakukan menggunakan tiang sebagai elemen perkuatan lereng dan telah berhasil dengan sukses dalam memperbaiki sekaligus meningkatkan stabilitas lereng yang tidak stabil (unstable slope) sekaligus meningkatkan daya dukung (bearing capacity) nya, antara lain: De Beer&Wallays,1970; Ito dan Matsui,1975; Ito et al,1981; Viggiani,1981; Ito et al’1982; Poulos, 1995; Lee et al, 1995; Hong&Han,1996; Chen et al, 1997; Hassiotis et al, 1997; Chien Yuan ,2001; Ausilio et al, 2001; Hull&Poulos, 1999; Chai&Ugai, 2000; Liang&Zeng; 2002; Won et al, 2005; Eng Chew Ang, 2005; Lee&Wang, 2006; Yamin, 2007; Wei&Cheng, 2009; Al Badoer, 2010. Pondasi yang dibangun diatas permukaan lereng, akan menurunkan daya dukung tanah. Penggunaan tiang bambu komposit berfungsi meningkatkan daya dukung pondasi pada lereng dan merupakan salah satu teknik perkuatan lereng inovatif yang penting dalam beberapa tahun belakangan ini. Pemodelan lereng diperkuat tiang bambu komposit menggunakan bak uji berukuran ukuran panjang 1,50 m, lebar 1,0 m dan tinggi 1,0 m. Digunakan tanah pasir bergradasi halus dan tiang bambu komposit dengan variasi diameter tiang dan jarak antar tiang. Pembebanan dimodelkan melalui pondasi menerus (strip footing) , dengan menambahkan beban secara bertahap melalui load cell hingga mencapai beban runtuh. Masalah yang terjadi di laboratorium dianalisis dengan menggunakan metode elemen hingga (Finite Element Method), dengan mengubah bentuk pemodelan lereng 3D menjadi pemodelan 2D. Penggunaan tiang bambu komposit dipilih karena dari tinjauan aspek rekayasa pelaksanaannya jauh lebih mudah dan sebagai inovasi baru pemanfaatan bambu sebagai penulangan perkuatan tiang dan sebagai nilai tambah pemanfaatan bahan lokal tulangan bambu sebagai pengganti tulangan baja. Hasil penelitian menunjukkan pemberian perkuatan tiang pada lereng akan meningkatkan daya dukung lereng yang ditunjukkan dengan meningkatnya nilai Bearing Capacity Improvement (BCI) dan meningkatnya beban runtuh maksimum yang dapat ditahan lereng. Kata kunci: Perkuatan lereng, tiang bambu komposit, daya dukung lereng, Bearing Capacity Improvement, Finite Element Method.
1. Pendahuluan Ketika pondasi dangkal diletakkan diatas permukaan lereng, daya dukung pondasi akan berkurang secara signifikan tergantung letak pondasi terhadap kemiringan lereng. Untuk mengatasi masalah tersebut digunakan sistem perkuatan lereng dengan melakukan pemasangan dan pemancangan tiang bambu komposit. Cara pemancangan tiang dilakukan pada puncak atau pada lereng yang berfungsi sebagai elemen pengekang dan sekaligus penahan gaya-gaya lateral yang bekerja dengan mereduksi gaya lateral melalui transfer gaya tersebut kepada penahan tiang-tiang bambu komposit yang dipancang pada jarak tertentu pada lereng. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk memahami daya dukung tanah pada lereng baik secara analisis, eksperimen, maupun numerik. Osamu Kusakabe et al (1981) meneliti daya dukung tanah lempung pada lereng yang diberi beban menerus menggunakan analisis metode upper bound theorem. Kunitomo Narita et al (1990) meneliti daya dukung tanah pada lereng secara analisis menggunakan metode log spiral yang dibandingkan dengan metode upper bound. Azzam et al (2010) melakukan penelitian dengan menggunakan perkuatan skirted strip footing, yang membandingkan nilai daya dukung tanah pada lereng pasir secara eksperimen dan numerik. Anil Kumar et al (2009) melakukan penelitian tanah pasir menggunakan perkuatan geogrid, baik secara eksperimen maupun numerik. Huang et al (1994) melakukan penelitian
KoNTekS 6 Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012
G-25
Getokenik dengan menggunakan perkuatan geotextile, yang menjelaskan tentang mekanisme keruntuhan lereng pasir. Sawwaf (2004) melakukan penelitian dengan deng menggunakan perkuatan pile (tiang) pada lereng pasir. Pengaruh dari perkuatan untuk meningkatkan daya dukung ultimit tanah biasanya dipresentasikan dalam bentuk besaran non-dimensional dimensional yang biasanya disebut BCI. J. Thanapalasingam dan C. T. Gnanendran (2008), 2008), E. C. Shin dan B. M. Das (2000), M. J. Kenny dan K. Z. Andrawes (1997) serta P. K. Haripal dkk (2008) mengatakan bahwa Bearing Capacity Improvement (BCI) adalah suatu rasio yang menjelaskan perbandingan antara daya dukung ultimit tanah saat diperkuatan diperkuatan dengan daya dukung ultimit tanah tanpa perkuatan. A. Zahmatkesh dkk (2010) mengatakan BCI merupakan suatu rasio yang menjelaskan perbandingan antara daya dukung tanah saat diperkuat dengan daya dukung tanah tanpa diperkuatan pada tingkat penurunan yang sama. S. M. Marandi dkk (2008) menggunakan BCI dengan dua dasar, yaitu berdasarkan daya dukung ultimit dan berdasarkan penurunan yang sama. 2. Daya Dukung Lereng 2.1 Analisis Daya Dukung Lereng tanpa Perkuatan Tiang Analisis daya dukung tanah mempelajari kemampuan tanah dalam mendukung beban pondasi yang bekerja di atasnya. Daya dukung menyatakan kuat geser tanah untuk melawan penurunan akibat pembebanan, yaitu kuat geser yang dapat dibangkitkan oleh tanah sepanjang bidang bidang gesernya. Daya dukung lereng tanpa perkuatan tiang dapat dianalisis secara analitik menggunakan metode analisis untuk tanah datar dengan menambahkan faktor pengaruh lereng tersebut. Metode-metode metode tersebut antara lain Hansen, Vesic, Meyerhof, Shields (1990) dan GEO (1993). 2.2 Analisis Bearing Capacity Improvement (BCI) Bearing Capacity Improvement (BCI) dapat ditentukan berdasarkan dua hal, yaitu daya dukung pada saat ultimit (BCIu) dan daya dukung pada penurunan yang sama (BCIs). BCI adalah perbandingan antara daya dukung saat diperkuatan tiang dengan daya dukung tanpa perkuatan. Pertambahan nilai BCI menggambarkan semakin meningkatnya daya dukung lereng setelah diperkuatan. q ( R) q( R ) BCI u = u . (1) BCI S = . qu q dimana: qu(R) = daya dukung ultimit dengan perkuatan qu = daya dukung ultimit tanpa perkuatan q(R) = daya dukung dengan perkuatan saat penurunan sebesar s q = daya dukung tanpa perkuatan saat penurunan sebesar s. s 2.3 Analisis Daya Dukung dengan menggunakan Finite Element Method Pada penelitian ini, digunakan program PLAXIS 8.2 sebagai program Finite Element Method untuk menganalisis nilai safety factor lereng. PLAXIS 8.2 digunakan permodelan 2D yang sangat berbeda dengan pemodelan laboratorium yang merupakan pemodelan pemodelan 3D. Untuk mengetahui pengaruh jarak dan diameter tiang tidak bisa langsung memasukkan nilai material ke dalam input awal. Besarnya diameter dan jarak antar tiang harus diubah terlebih dahulu kedalam bentuk EI dan EA. Selanjutnya, dilakukan transformasii nilai EI dan EA baik tiang maupun tanah ke dalam bentuk EI equivalen . Randolph dan Steward et al, melakukan analisis plane strain dengan mengekivalensikan tiang yang digunakan dalam pemodelan dengan dinding turap yang memiliki kekakuan yang sama dengan rata-rata rata kekakuan yang dimiliki tiang dan tanah itu sendiri, seperti sepert yang ditunjukkan pada Gambar 1. Dengan demikian, analisis dapat dilakukan dengan menggunakan nilai transformasi tiang dan tanah ke dalam bentuk EI equivalen.
Gambar 1 Transformasi nilai EI dan EA tiang dan tanah
G-26
KoNTekS 6 Universitas Trisakti, Jakarta 1--2 November 2012
Geoteknik
3 Model Test Laboratorium 3.1 Model box dan pondasi Elemen utama yang digunakan antara lain box, terbuat dari fiber glass dengan ukuran panjang 1,50 m, lebar 1,0 m dan tinggi box 1,0 m. Dasar box menggunakan pelat baja tebal 1,2 cm sedangkan keliling box menggunakan fiber dengan ketebalan 1,2 cm. Pelat pengaku dipasang pada sudut-sudut box menggunakan pelat strip baja siku 40.40.4. Box dibuat cukup kaku dengan harapan agar dapat mempertahankan kondisi regangan bidang dengan memberikan perkuatan di sekeliling bagian tengah ke empat sisi fiberglass dengan menggunakan pelat siku baja 40.40.4. Penggunaan fiberglass diharapkan dapat digunakaan supaya dapat diamati dan dilihat saat pelaksanaan. Gambar box terlihat di Gambar 2.
Gambar 2 Box pengujian Sistem pembebanan terdiri dari hydraulic jack yang dioperasikan secara manual dengan kapasitas 10 ton dan load cell yang telah dikalibrasi sebagai pengukur besarnya beban yang terjadi menggunakan kapasitas 10 ton melalui pembacaan proving ring. Pondasi dirancang diletakkan diatas pemukaan lereng yang dihubungkan dengan dongkrak hidrolik. Ujung atas dari dongkrak hidrolik dihubungkan dengan reaction beam yang terkekang pada rangka utama baja. Sebuah pondasi menerus dengan ukuran panjang 100 cm, lebar 10 cm dan tebal 10 cm dan pondasi tiang dengan diameter 2,54 cm; panjang 30 cm; 35 cm; 40 cm dan 45 cm; jarak antar tiang pusat ke pusat 10 cm terbuat dari bahan beton komposit bertulangan bambu, dibebani secara terpusat oleh hydraulic jack melalui reaction beam. Proses pemberian beban menggunakan kendali kontrol tegangan (stress control) yang dihubungkan dengan dua dial gauge untuk mengukur deformasi pondasi.
3.2 Pengujian Bahan Pasir Bahan pasir yang digunakan pada penelitian ini adalah halus sampai medium, dicuci bersih kemudian dikeringkan dan dipilih partikelnya. Berat jenis bahan partikel pasir ditentukan dengan prosedur baku di pengujian berat jenis bahan pasir berdasarkan ASTM Standart. Sifat-sifat fisik bahan pasir , distribusi ukuran butir ditentukan dengan basis klasifikasi tanah terpadu (unified classification system) USCS. Sifatsifat mekanis ditentukan dengan melakukan pengujian geser langsung melalui pengambilan sampel secara langsung pada kotak pengujian pada saat menentukan kepadatan yang diinginkan. Untuk menentukan distribusi ukuran butir digunakan analisis ayakan (sieve analysis). Hasil pengujian ukuran butir dapat dilihat pada Gambar 3. Sifat fisik dan mekanis bahan pasir dapat dilihat pada Tabel 1.
Gambar 3 Analisis ukuran butir
KoNTekS 6 Universitas Trisakti , Jakarta 1-2 November 2012
G-27
Getokenik
Tabel 1 Karakteristik Tanah Pasir Nilai Keterangan eterangan Satuan Dr Dr 74% 88% Berat Jenis Gs 2,69 Berat Isi γd 13,2 16,1 kN/m3 Kering Kohesi c 0,4 0,5 kN/m2 o Sudut Geser Ф 34,40 38,68 3.3 Prosedur dan program pengujian engujian Model tanah pasir dipadatkan lapis demi lapis setebal 10 cm dipadatkan menggunakan gilasan dengan kepadatan yang dinginkan tercapai sampai ketinggian yang diharapkan terpenuhi, kemudian dibentuk kemiringan lereng sesuai kemiringan yang ditentukan (50o).. Kemudian menancapkan model perkuatan tiang mini bambu komposit pada posisi yang sudah ditentukan. Selanjutnya pondasi diletakkan dipermukaan lereng dan beban mulai diberikan secara bertahap dengan hydraulic jack dengan sistim kendali tegangan sampaii beban menunjukkan beban batas. batas Pengujian dilakukan untuk mengetahui pengaruh jarak antar tiang, diameter tiang, kedalaman tiang dan lokasi tiang.. Adapun geometri dan parameter penampang tiang dapat dilihat pada Gambar 4.
a. Geometri tiang b. Penampang tiang Gambar 4 Geometri dan Penampang tiang Dalam penelitian ini, digunakan tiang mini bambu komposit dengan tulangan bambu sebanyak 4 buah dipasang melingkar seperti ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Posisi tulangan bambu pada perkuatan tiang Digunakan dimensi perkuatan tiang mini bambu komposit dengan variasi panjang (H/B) (H ) dan variasi lokasi penempatan tiang (Lx/L). Variasi panjang tiangg digunakan rasio H/B, yaitu rasio antara panjang tiang (H) antara lain 30 cm; 35 cm; 40 cm; 45 cm dengan lebar pondasi (B) sebesar 10 cm. Didapatkan nilai H/B antara lain : 3; 3,5; 4; dan 4,5.. Untuk lokasi penempatan tiang, digunakan rasio Lx/L : 0,905; 0,690; 0,452; dan 0,214. Lxx adalah jarak dari bawah kemiringan lereng hingga tiang sebesar 38 cm; 29 cm; 19 cm; 9 cm dan L adalah alah panjang kemiringan horizontal lereng sebesar 42 cm. Diameter tiang (D) yang digunakan sebesar 2,54 cm dan jarak antar tiang (D1) sebesar 10 cm. Variasi perkuatan tiang yang digunakan pada penelitian dapat dilihat pada Tabel abel 2.
G-28
KoNTekS 6 Universitas Trisakti, Jakarta 1--2 November 2012
Geoteknik
Tabel 2 Variabel yang digunakan pada pengujian lereng No
Parameter konstan
1
Tanpa Perkuatan tiang
2
D/B = 0,254
Variabel parameter b = 0,5 B Dr = 74%; 88%
Ket. -
H/B = 3; 3,5; 4; 4,5 Lx/L = 0,905; 0,690; 0,452; 0,214 Dr = 74%; 88%
D1/B = 1
baris
4 Hasil dan Diskusi 4.1 Daya Dukung Lereng tanpa Perkuatan Tiang Nilai daya dukung lereng tanpa perkuatan disajikan Tabel 3. Tabel 3 Daya Dukung Lereng tanpa Perkuatan Tiang qu (kN/m2) Metode Dr 74% Dr 88% Hansen 2,727 6,835 Vesic 4,535 11,061 Analitik Meyerhof 2,428 5,358 Shields 1990 2,605 9,956 GEO 1993 3,614 8,795 Eksperimen 18,4 34,5 Numerik 9,22 21,56 4.2 Pengaruh Panjang Tiang terhadap Daya Dukung Lereng Untuk mengetahui pengaruh panjang tiang pada daya dukung lereng, dilakukan serangkaian pengujian menggunakan perkuatan tiang pada empat variasi panjang (H) antara lain: 30 cm; 35 cm; 40 cm; 45 cm yang ditempatkan pada lokasi tengah (Lx/L = 0,452). Hasil pengujian yang dilakukan di laboratorium dan hasil analisis dengan FEM (PLAXIS) menunjukkan bahwa semakin panjang tiang, maka nilai BCI akan semakin besar pula. Adapun peningkatan nilai BCI dapat dilihat pada gambar Gambar 6 berikut ini: Grafik Perbandingan BCIu
1,75
1,45
1,6
1,30 BCIS
BCIU
Grafik BCIs Dr = 74%
1,8
1,60
1,15 1,00
1,4 1,2
0,85 2,5
3
3,5
H/B
4
4,5
1,0
5
2,5
Dr 74% LAB Dr 88% LAB Dr 74% FEM
3,0
3,5
H/B
s/B 2%
a)
4,0 s/B 5%
4,5
5,0 s/B 8,49%
b) Grafik BCIs Dr = 88%
1,4
BCIS
1,3 1,2 1,1 1,0 2,5
3,0
3,5
s/B 1%
H/B
4,0
s/B 2%
4,5
5,0
s/B 2,38%
c)
KoNTekS 6 Universitas Trisakti , Jakarta 1-2 November 2012
G-29
Getokenik
Gambar 6: Grafik BCI variasi panjang tiang. a) Grafik peningkatan nilai BCIu pada setiap kepadatan relatif, b) Grafik peningkatan nilai BCIs pada Dr = 74%, c) Grafik peningkatan nilai BCIs pada Dr = 88% 4.3 Pengaruh Lokasi Penempatan Tiang terhadap Daya Dukung Lereng Untuk mengetahui pengaruh lokasi penempatan tiang pada daya dukung lereng, digunakan perkuatan tiang pada empat variasi lokasi tiang (Lx/L) antara lain: 0,905; 0,690; 0,452; 0,214. Hasil pengujian yang dilakukan di laboratorium dan hasil analisis dengan FEM (PLAXIS) menunjukkan bahwa nilai BCI yang paling besar saat tiang berada pada lokasi tengah atas (Lx/L = 0,690). Adapun peningkatan nilai BCI dapat dilihat pada Gambar 7 berikut: Grafik Perbandingan BCIu
1,8
Grafik BCIs Dr = 74%
2,5
1,6
BCIu
BCIs
1,4 1,2
2 1,5
1 0,8 0
0,2
0,4
Lx/L
0,6
0,8
1
1
0
Dr 74 % (Eksperimen) Dr 74 % (FEM) Dr 88 % (Eksperimen)
0,2
0,4
Lx/L
s/B = 2,5 %
0,6 s/B = 5 %
a)
0,8
1 qu(maks)
b) Grafik BCIs Dr = 88%
1,8
BCIs
1,6 1,4 1,2 1 0,8 0
0,2
0,4 Lx/L 0,6
s/B = 1 %
s/B = 2 %
0,8
1
qu(maks)
c) Gambar 7: Grafik BCI variasi lokasi penempatan tiang. a) Grafik peningkatan nilai BCIu pada tiap kepadatan relatif, b) Grafik peningkatan nilai BCIs pada Dr = 74%, c) Grafik peningkatan nilai BCIs pada Dr = 88% Gambar 8 berikut menunjukkan vektor perpindahan lereng tanpa perkuatan tiang dan dengan perkuatan tiang untuk Dr = 74% dan Dr = 88%.
G-30
KoNTekS 6 Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012
Geoteknik
a)
b)
c)
d)
Gambar 8: Vektor perpindahan; a) Vektor perpindahan lereng tanpa perkuatan tiang Dr = 74%, b)Vektor perpindahan lereng dengan perkuatan tiang Dr = 74%, c) Vektor perpindahan lereng tanpa perkuatan tiang Dr = 88%, d) Vektor perpindahan lereng dengan perkuatan tiang Dr = 88%. 5. Kesimpulan 1. Perkuatan lereng menggunakan tiang mempunyai efek yang signifikan terhadap peningkatan daya dukung pondasi menerus. 2. Pada variasi panjang tiang, BCI mencapai maksimum pada panjang 45 cm. 3. Pada variasi lokasi penempatan tiang, BCI mencapai maksimum pada lokasi tengah atas.
KoNTekS 6 Universitas Trisakti , Jakarta 1-2 November 2012
G-31
Getokenik
Daftar Pustaka Azzam, W. R. et al,” Experimental and numerical Studies of Sand Lsopes Loaded with Skirted Strip Footing”, EJGE, Vol.15, 2010 Bahloul, Khaled M. M. Behavior of Strip Footing Resting on Randomly Fiber Reinforced Sand Cushion Underlaid by a Layer of Soft Clay and Adjacent to a Slope. Technical University of Engineering, Bucharest, Rumania. Esmaili, D. and Hataf, N. 2008. Experimental and Numerical Investigation of Ultimate Load Capacity of Shell Foundation on Reinforced and Unreinforced Sand. Department of Civil Engineering, Shiraz University, Iran. Huang, Ching-Chuan and Kang, Wen-Wei. 2008. The Effect of a Setback on The Bearing Capacity of a Surface Footing Near a Slope. Department of Civil Engineering, National Cheng Kung University Tainan, Taiwan. Huang, Ching-Chuan, et al. 1994. Failure Mechanisms of Reinforced Sand Slopes Loaded with A Footing. Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering. Ip, Kai Wing. 2005. Bearing Capacity for Foundation Near Slope. Department of Building, Civil and Environment Engineering, Concordia University, Canada. Kumar, S.V. Anil and K. Ilamparuthi. 2009. Response of Footing on Sand Slopes. Indian Geotechnical Society Chennai Chapter. Kusakabe, Osamu, et al. 1981. Bearing Capacity of Slopes Under Strip Loads on The Top Surfaces. Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering. Marandi, S. M. dkk. 2008. Numerical Investigation Into the Behavior of Circular Pad Shallow Foundations Supported by Geogrid Reinforced Sand. Civil Engineering Department, Bahonar University, Kerman, Iran. Meyerhof, G.G. 1957. The Ultimate Bearing Capacity of Foundations on Slopes. London: The Proceedings of the Fourth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mostafa A. El Sawwaf. 2004. Strip Footing Behaviour on Pile and Sheet Pile-Stabilized Sand Slope. Alexandria: Alexandria Engineering Journal Vol. 43 (2004) No 1, 41-54. Oh, Won Taek and Vanapalli, Sai K. 2008. Modelling The Stress versus Settlement Behavior of Model Footings in Saturated and Unsaturated Sandy Soils. Civil Engineering Department, University of Ottawa, Ottawa, Canada. Reshma, Rajendran and Johnson, Arvee Sujil. 2008. Model and Prototype Testing of Well Rings as Foundation for Residential Buildings. College of Engineering, Kerala, India. Shin, E. C. and Das, B. M. 2000. Experimental Study of Bearing Capacity of a Strip Foundation on Geogrid Reinforced Sand. Geosynthetics International. Thanapalasingam, J. and Gnanendran, C. T. 2008. Predicting the Performace of Foundations Near Reinforced Sloped Fills. Civil and Mechanical Engineering, University of New South Wales at ADFA, Canberra, Auatralia. Zahmatkesh, A. and Choobbasti, A. J. 2010. Investigation of Bearing Capacity and Settlement of Strip Footing on Clay Reinforced with Stone Columns. Department of Civil Engineering, Babol University of Technology, Babol, Iran.
G-32
KoNTekS 6 Universitas Trisakti, Jakarta 1-2 November 2012
