PERTEMUAN ILMIAH TAHUNAN XIV HATTI Development of Geotechnical Engineering in Civil Works and Geo-Environment, Yogyakarta, 9-10 Februari 2011
Karakteristik Kuat Geser Tanah Pasir dengan Campuran Kapur dan Abu Sekam Padi Agus Setyo Muntohar Jurusan Teknik Sipil, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, Indonesia E-mail:
[email protected]
ABSTRAKS: Tanah pasir pada kondisi padat cenderung memiliki sifat-sifat yang baik. Namun pasir dalam kondisi seragam dan lepas serta jenuh air memiliki kuat geser yang rendah ketika terjadi beban siklik (seperti gempa). Naskah ini menyajikan hasil penelitian tentang perbaikan tanah pasir dengan campuran kapur dan abu sekam padi. Dua teknik pencampuran pada tanah pasir dilakukan yaitu column (metode A) dan mixed (metode B). Campuran kapur – abu sekam padi dengan perbandingan 1 : 1 (dalam perbandingan berat). Uji triaksial unconsolidated undrained dilakukan untuk kedua metode tersebut pada umur benda uji 1 hari, 3 hari, 7 hari, dan 14 hari. Ukuran benda uji benda uji triaksial adalah diameter = 36 mm dan tinggi = 72 mm. Untuk metode A, kolom dibuat sepanjang tinggi benda uji dengan ukuran diameter adalah 12 mm. Nilai kuat geser pada pasir tanpa stabilisasi adalah 35,4 kPa. Secara keseluruhan dapat disimpulkan pula bahwa teknik stabilisasi mempengaruhi kuat geser tanah pasir. Teknik perbaikan tanah dengan metode B memberikan nilai kuat geser yang lebih besar daripada metode A. Namun, perilaku tanah pasir dengan teknik perbaikan metode B lebih getas dibandingkan dengan metode A. Kata-kata kunci: kuat geser, pasir, kapur, abu sekam padi, triaksial
1 INTRODUCTION Tanah pasir dalam kondisi padat cenderung memiliki sifat-sifat yang baik. Namun pada kondisi tertentu, seperti bila dalam kondisi lepas dan jenuh air, dapat memiliki kuat geser yang rendah ketika terjadi beban siklik seperti gempa bumi. Pada keadaan ini lapisan pasir kehilangan kuat gesernya atau berkurang. Secara umum, kuat geser tanah pasir disumbangkan oleh nilai sudut gesek internal. Guna meningkatkan kuat gesernya, perbaikan tanah pasir sering dilakukan dengan inklusi serat atau campuran semen (Consoli, dkk, 1998). Kapur dan abu sekam padi sebagai bahan stabilisasi tanah lempung sudah banyak diteliti, namun penggunaannya untuk tanah pasir belum banyak dikaji. Untuk itu dalam penelitian ini akan dikaji pengaruh campuran kapur dan abu sekam padi terhadap kuat geser tanah pasir. Pada kebanyakan penelitian, teknik perbaikan tanah (ground improvement) yang sering digunakan adalah teknik stone-column atau stone-piers. Teknik ini mampu mengurangi resiko kerusakan strukur akibat peristiwa likuifaksi (Mitchell dkk, 1995). Namun
demikian teknik perbaikan tanah lainnya seperti teknik kolom dengan bahan kapur atau semen dapat digunakan sebagai alternatif untuk mengurangi resiko likuifaksi (Seed dkk, 2001). Selain itu, teknik kolom ini juga dapat digunakan sebagai fondasi untuk bangunan gedung (Kempfert, 2003). Dalam perkembangannya, bahan untuk kolom dapat berupa colloidal-silica yaitu silika dalam bentuk gel atau cair (Gallagher dkk, 2007; Liao dkk, 2004). Pada sisi lain, abu sekam padi yang banyak mengandung pozzolan silika (SiO2) padat yang berukuran mikro merupakan bahan yang sangat baik jika dicampur dengan kapur. Hasil reaksi kapur-abu sekamp padi akan membentuk bahan penyusun semen (Zhang dkk, 1996). Untuk itu penggunaannya dengan kapur untuk mitigasi likuifaksi adalah suatu alternatif pemanfaatan bahan.
2 METODE PENELITIAN 2.1 Pasir, Kapur, dan Abu Sekam Padi Pasir yang digunakan merupakan pasir yang berasal dari deposit Gunung Merapi yang memiliki distribusi ukuran partikel tanah seperti pada Gambar 1. Contoh pasir yang diuji memiliki gradasi relatif seragam antara 413
Karakteristik Kuat Geser Tanah Pasir dengan Campuran Kapur dan Abu Sekam Padi
sedang hingga halus dengan diameter rata-rata atau d50 = 0,4 mm. Berdasarkan pengujian sifat-sifat fisik, diperoleh berat volume pasir = 16,5 kN/m3, berat jenis (Gs) pasir dalam keadaan kering permukaan (surface dry) = 2,29, dan kadar air = 2,99%. Kapur yang digunakan berasal dari Gamping, Sleman, Yogyakarta yang merupakan kapur padam (hydrated lime) berbentuk bubuk. Guna mengurangi proses pengerasan, maka kapur ini disimpan dalam tempat yang kedap udara. Berdasarkan hasil uji X-ray diffraction menunjukkan bahwa mineral penyusun utama kapur yang digunakan adalah calcium hydrate Ca(OH)2. Abu sekam padi yang digunakan diambil dari sisa dari pembakaran sekam padi pada proses industri batu bata. Abu yang diambil adalah yang berwarna abu-abu. Untuk menghasilkan partikel yang lebih halus, abu sekam padi dihaluskan dengan 25 batang besi baja berdiameter 12 mm dan panjang 20-30 mm dalam alat Los Angeles selama kurang lebih 2 jam. Cara ini dapat menghasilkan ukuran partikel hingga 45 µm (Muntohar, 2005). Hasil uji X-ray diffraction diperoleh bahwa mineral utama abu sekam padi adalah trydimite yang merupakan amorphous silica.
2.2 Pembuatan Benda Uji Ukuran benda uji triaksial UU ini adalah diamater d = 38 mm dan tinggi h = 76 cm berjumlah masing-masing 3 buah benda uji. Benda uji untuk Metode A dibuat dengan cara memadatkan pasir sesuai standar uji pemadatan Proctor standar ASTM D698. Pasir dicampur dengan air dengan kadar 24% dari berat pasir. Setelah selesai pemadatan, cetakan benda uji triaksial dimasukan ke dalam silinder pemadatan. Untuk memodelkan sistem kolom kapur – abu sekam padi maka di bagian tengah benda uji pasir diberi lubang berdiameter 12 mm dan panjang 76 mm (Gambar 2a). Kolom ini dibuat dengan cara memasukan pipa berdiameter 12 mm ke dalam benda uji pasir yang berada dalam cetakan. Kemudian sejumlah pasir dalam pipa dikeluarkan dan diisi dengan campuran kapur – abu sekam padi. Perbandingan kapur dan abu sekam padi adalah 1 : 1 terhadap berat. Perbandingan air yang digunakan untuk membentuk kolom tersebut adalah 0,50. Untuk benda uji dengan Metode B (Gambar 2b), pasir dicampur dengan kapur-abu sekam padi dengan perbandingan berat 1 : 2,75. Sedangkan, perbandingan kapur dan abu sekam padi adalah 1 : 1 dengan berat air yang digunakan sebesar 24% dari berat pasir.
2.3 Alat Uji dan Prosedur Pengujian
Gambar 1 Kurva distribusi ukuran partikel tanah untuk pasir yang digunakan
Alat uji triaksial digunakan untuk menentukan parameter kuat geser dan perilaku mekanis tanah yaitu kohesi, sudut gesek internal, dan modulus elastisitas pada kondisi tak terkonsolidasi – tak terdrainase. Kekuatan bahan campuran kapur – abu sekam padi diuji dengan mesin tekan untuk menentukan kuat tekan aksial. Uji triaksial dilakukan untuk menentukan parameter kuat geser tanah dan perilaku mekanis. Pada penelitian ini, uji triaksial dilakukan dalam kondisi unconsolidated-undrained (UU). Tegangan keliling yang diberikan adalah 9821 kPa, 196,2 kPa dan 294,3 kPa. Tegangan aksial diberikan melalui tegangan deviator dengan kecepatan pembebanan 1 mm/menit hingga benda uji mencapai keruntuhan. Perubahan benda uji selama penerapan tegangan deviator dicatat. Prosedur uji triaksial ini mengikuti standar ASTM D-2580. Hasil uji triaxial UU ini dapat memberikan data modulus elastisitas tanah undrained Eu yang merupakan kemiringan kurva tegangan – regangan pada bagian yang linear.
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 2 Benda uji triaksial (a) Metode A, (b) Metode B
Salah satu hal penting juga untuk mengkaji karakteristik kuat geser adalah kurva hubungan tegangan dan regangan. Gambar 3 memberikan tipikal kurva hubungan tegangan-regangan hasil uji triaksial pada tegangan sel σ3 = 98,1 kPa. Regangan aksial saat
414
PERTEMUAN ILMIAH TAHUNAN XIV HATTI Development of Geotechnical Engineering in Civil Works and Geo-Environment
350
250
300 250 200 150 100 15 50
12 9
0 100
200
6 300
Tegan gan
400
3 500
Norm al, σ (k P
600
700
ur Um
ri) (ha
0
a)
(b)
350
Tegangan Geser, τ (kPa)
Tegangan Deviatorik (kPa)
350
(a)
300
14 hari 7 hari
300 250 200 150 100 15 50
200
12
0 100
150
200
6 300
400
Tegan gan N o
3 hari
3 500
rmal, σ (kP
600
700
9 ri) (ha ur m U
0
a)
100
Gambar 4 Lingkaran Mohr dan selubung kuat geser (a) Metode A, (b) Metode B
1 hari
50
0 0
1
2
3
4
5
6
Regangan (%)
350
(b) 300
Tegangan Deviatorik (kPa)
(a)
Tegangan Geser, τ (kPa)
mencapai keruntuhan cenderung berkurang dengan bertambahnya umur benda uji yang bergantung pula pada tekanan sel yang diterapkan. Secara keseluruhan regangan aksial runtuh dari benda uji berkisar 1,24% 3,2% untuk benda uji Metode A. Sedangkan untuk benda uji Metode B, keruntuhan terjadi pada regangan yang relatif kecil yaitu berkisar 0,81% - 2,38% dari tingginya. Nilai regangan runtuh ini bervariasi menurut umur benda uji dan tekanan sel. Berdasarkan sifat ini benda uji dengan sistem perbaikan dicampur (Metode B) cenderung menghasilkan perilaku pasir yang getas dibandingkan dengan perbaikan metode kolom (Metode A). Namun, pada tekanan sel yang lebih tinggi, benda uji dengan cara perbaikan Metode B memberikan nilai tegangan deviatorik yang lebih tinggi dari pada Metode A.
3 hari 250 14 hari 200
150
1 hari 7 hari
100
50
0 0
1
2
3
4
5
6
Regangan (%)
Gambar 3 Tipikal hubungan teganan-regangan (a) Metode A, (b) Metode B (σ3 = 98,1 kPa)
Kuat geser tanah merupakan kemampuan tanah untuk menahan beban atau gaya yang bekerja. Kuat geser tanah ini menurut Mohr dan Coulomb disumbangkan oleh dua parameter penting yaitu kohesi (c) dan sudut gesek internal (φ). Kedua nilai parameter kuat geser tanah ini bervariasi bergantung pada derajat sementasi yang ditentukan oleh umur benda uji. Gambar 4a dan 4b menggambarkan lingkaran Mohr yang dipadukan dengan umur benda uji untuk kedua cara perbaikan yaitu masing-masing Metode A dan Metode B. Mengacu pada Gambar 4 tersebut, selubung keruntuhan dari pasir yang distabilisasi dengan kapurabu sekam padi adalah berbentuk kurva non-linier. Hasil ini seperti yang ditunjukkan pula oleh Ashgari dkk (2004), bahwa selubung keruntuhan pasir yang tersementasi (cemented sand) berupa kurva non-linier. Gambar 5 dan 6 masing-masing menunjukkan perubahan nilai sudut gesek internal dan kohesi (intercept cohesion) terhadap umur benda uji. Nilai sudut gesek internal pasir yang telah distabilisasi relatif rendah yaitu berkisar 1o hingga 6o. Pada umur awal proses stabilisasi, cara perbaikan tanah pasir dengan Metode B memberikan nilai sudut gesek internal yang lebih besar daripada Metode A. Demikian pula dengan nilai kohesi, pada umur benda 415
Karakteristik Kuat Geser Tanah Pasir dengan Campuran Kapur dan Abu Sekam Padi
uji kurang dari 7 hari, teknik perbaikan tanah dengan Metode B menghasilkan nilai kohesi yang lebih tinggi daripada Metode B. Setelah umur 7 hari, terjadi kondisi sebaliknya. Keadaan ini mengindikasikan bahwa pada permulaan pemasangan kolom (Metode A), bahan additif (kapur – abu sekam padi) belum mengalami migrasi secara luas dengan pasir disekitarnya. Seiring dengan bertambahnya umur kolom, partikel kapur – abu sekam padi lebih banyak bermigrasi dan bereaksi dengan pasir disekitar kolom, sehingga mampu meningkatkan kuat gesernya. Keadaan serupa juga dijumpai pada penerapan teknik tiang kapur (lime pile) yang dilakukan oleh Rogers & Glendinning (1996). Pada teknik lime pile, ion calcium (Ca2+) dan hydroxil (OH-) dapat bermigrasi melalui proses difusi yang dapat mencapai jarak 1 m. Pada campuran kapur – abu sekam padi, reaksi kedua bahan tersebut menghasilkan calcium silicate hydrate (C-SH) sebagai semen (James & Rao, 1986), sehingga mampu meningkatkan kuat geser pasir.
Sudut Gesek Internal, φ (derajat)
7
6
Berdasarkan hasil dan pembahasan yang telah diuraikan sebelumnya, secara keseluruhan dapat disimpulkan pula bahwa teknik stabilisasi mempengaruhi kuat geser tanah pasir. Teknik perbaikan tanah dengan metode B memberikan nilai kuat geser yang lebih besar daripada metode A umur permulaan umur pencampuran. Namun, perilaku tanah pasir dengan teknik perbaikan metode B lebih getas dibandingkan dengan metode A.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Soca Anggoro, S.T. dan Povin Triono, S.T., yang telah membantu pelaksanaan penelitian di laboratorium. Terima kasih kepada Lembaga Pengembangan Pendidikan, Penelitian dan Masyarakat (LP3M), Universitas Muhammadiyah Yogyakarta yang telah memberikan dana penelitian pada tahun 2009/2010 dengan judul “Mitigasi Likuifaksi Akibat Gempa Bumi Dengan Teknik Kolom Kapur - Abu Sekam Padi Pada Tanah Berpasir”.
5
4
5 DAFTAR PUSTAKA
3
Asghari, A., Toll, D.G., & Haeri, S.M., 2004, Effect of Cementation on the Shear Strength of Tehran Gravelly Sand Using Triaxial Tests, Journal of Sciences, Vol. 15(1): 6571. ASTM D2850 - 03a, 2007, Standard Test Method for Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test on Cohesive Soils, ASTM International, West Conshohocken, PA. ASTM D698 - 07e1, 2007, Standard Test Methods for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Standard Effort (12 400 ft-lbf/ft3 (600 kN-m/m3)), ASTM International, West Conshohocken, PA. Consoli, N.C., Prietto, P.D.M. & Ulbrich, L.A., 1998, Influence of fiber and cement addition on the behavior of sandy soil. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 124(12): 12111214. Gallagher, M.P., Conlee, C.T., & Rollins, K.M., 2007, FullScale Field Testing of Colloidal Silica Grouting for Mitigation of Liquefaction Risk. Journal of Geotechnical and Environmental Engineering, Vol. 133, No. 2: 186-196. James, J., & Rao, M.S., 1986, Reaction product of lime and silica from rice husk ash, Cement and Concrete Research. Vol. 16(1): 67-73/ Kempfert, H.G., 2003, Ground improvement methods with special emphasis on column-type techniques, In Vermeer, Schwiger, and Cudny (Eds.), Proceeding of International Workshop on Geotechnics of Soft Soil: Theory and Practice, Netherlands, Verlag Glückauf: 101-112. Liao, H.J., Huang, C.C., & Chao, B.S., 2003, Liquefaction Resistance of a Colloid Silica Grouted Sand. Proceeding 3rd International Specialty Conference on Grouting and
2 Metode A
1
Metode B
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Umur Benda Uji (hari)
Gambar 5 Variasi nilai sudut gesek internal terhadap umur benda uji 140
Kohesi (intercept cohesion), c (kPa)
4 KESIMPULAN
120
100
80
60
40 Metode A Metode B
20
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Umur Benda Uji (hari)
Gambar 6 Variasi nilai kohesi terhadap umur benda uji
416
PERTEMUAN ILMIAH TAHUNAN XIV HATTI Development of Geotechnical Engineering in Civil Works and Geo-Environment Ground Treatment, New Orleans, Louisiana, USA, 10-12 February 2003: 1305-1313. Martin, J.R., Olgun, C.G., & Mitchell, J.K., 2004, Highmodulus columns for liquefaction mitigation. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 130 (6): 561-571. Mitchell, J.K., Baxter, C. D. P., & Munson, T. C., 1995, Performance of Improved Ground during Earthquakes, In Hryciw, R.D., (Ed.): Soil Improvement for Earthquake Hazard Mitigation, Geotechnical Special Publication No. 49, ASCE: 1-36. Muntohar, A.S., 2005, The influence of molding water content and lime content on the strength of stabilized soil with lime and rice husk ash. Jurnal Dimensi Teknik Sipil, Vol. 7(1): 1-5. Rogers, C.D.F., & Glendinning, S., 1996, The role of lime migration in lime pile stabilization of slopes, Quarterly Journal of Engineering Geology, Vol. 29: 273-284. Seed, R.B., Cetin, K.O., Moss, R.E.S., Kammerer, A.M., Wu, J., Pestana, J.M., & Riemer, M.F., 2001, Recent advances in soil liquefaction engineering and seismic site response evaluation, Proceeding 47th International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamic, 26-31 March 2001, San Diego, California, USA: 1 – 45. Zhang, M.H., Lastra, R., & Malhotra, V.M., 1996, Rice husk ash paste and concrete: Some aspects of hydration and the microstructure of the interfacial zone between the aggregate and paste. Cement and Concrete Research, Vol. 26 (6): 963 – 977.
417
