International Civil Engineering Conference "Towards Sustainable Civil Engineering Practice" Surabaya, August 25-26, 2006
KONSTRUKSI JALAN DI ATAS TANAH LUNAK DENGAN PERKUATAN GEOTEXTILE Geotextile Reinforcement for Road Construction on Soft Soil Didiek DJARWADI1
ABSTRAK: Pelaksanaan konstruksi jalan diatas tanah lunak dengan perkuatan geotextile dapat menghindarkan terjadinya keruntuhan lokal pada tanah lunak karena rendahnya daya dukung tanah. Keuntungan penggunaan geotextile pada pelaksanaan jalan diatas tanah lunak adalah kecepatan dalam pelaksanaan dan biaya yang relatif lebih murah dibandingkan dengan metoda penimbunan konvensional. Tulisan ini akan mendiskusikan metoda perencanaan jalan diatas tanah lunak dengan menggunakan metoda analisa keseimbangan batas, analisis stabilitas, pemilihan geotextile, penetapan tegangan ijin geotextile, dan satu contoh pelaksanaan jalan diatas tanah lunak di Indonesia. KATA KUNCI: jalan diatas tanah lunak, geotextile, metoda perencanaan. ABSTRACT: Construction of road over soft soils using geotextile reinforcement offer an advantage such as prevent a local failure of the soft soil due its low bearing capacity. Another benefit using geotextile are faster in construction and cost effective compare to conventional methods. This paper discusses the design method of soil reinforcement over soft soil using limit equilibrium method, stability analysis, geotextile selection, determination of allowable stress of geotextile, and a case study of the construction of road on soft soils in Indonesia. KEYWORDS: road construction, soft soil, geotextile, limit equilibrium, design method, case study. 1. PENDAHULUAN Penggunaan konstruksi perkuatan pada tanah lunak pertama kali dilaporkan oleh [1] dengan menggunakan steel mesh dibawah konstruksi timbunan pada daerah pasang surut di Perancis. Perbandingan antara timbunan diatas tanah gambut di Afrika dengan dan tanpa kerkuatan dilaporkan oleh [2]. Konstruksi perkuatan pada timbunan diatas gambut dengan memasang instrumentasi juga dilaporkan oleh [3] yang menyatakan bahwa selain woven polypropylene fabric, tegangan tarik semua jenis geotextile yang diambil contohnya dari pemasangan setahun sebelumnya berkurang antara 25% sampai 36% dari tegangan tarik awalnya, meskipun tidak berpengaruh banyak pada fungsinya.. Penggunaan berbagai jenis geotextile pada 17 lokasi proyek US Army Corps of Engineer di Amerika Serikat pada tanah yang sangat lunak disampaikan oleh [4]. Penggunaan metoda elemen hingga pada design konstruksi timbunan diatas tanah lunak dengan perkuatan pertama kali disampaikan oleh [5]. Tanah timbunan dimodelkan sebagai linier-elastis, sedangkan tanah lunak dimodelkan sebagai anisotropic elastic perfectly plastic. Metoda perencanaan konstruksi timbunan diatas tanah lunak dengan metoda elemen hingga juga disampaikan oleh [6-7].
1
Mahasiswa Doktoral, Bidang Ilmu Teknik Sipil, Sekolah Pascasarjana, Universitas Gadjah Mada, Indonesia.
179
DJARWADI
Metoda perencanaan dengan analisa keseimbangan batas (limit equilibrium) untuk konstruksi timbunan diatas tanah lunak dengan perkuatan geotextile disampaikan oleh [8-10]. Metoda ini dimaksudkan untuk mencari tegangan yang diperlukan oleh geotextile pada modus keruntuhan yang ditinjau untuk menjaga stabilitas konstruksi. Perumusan yang dipergunakan adalah kaidah yang berlaku pada bidang Mekanika Tanah sehingga memudahkan dalam memahami metoda ini. 2.
METODA PERENCANAAN DENGAN ANALISA LIMIT EQUILIBRIUM
Timbunan badan jalan diatas tanah lunak akan mengalami penurunan yang besar dan kemungkinan runtuh akibat kurangnya daya dukung tanah lunak terhadap beban timbunan. Suatu cara untuk memperbaiki kondisi tersebut adalah dengan cara penggunaan geotextile yang digelar diatas tanah lunak sebelum pelaksanaan timbunan yang berfungsi sebagai perkuatan (reinforcement). Perkuatan dalam kasus ini hanya bekerja sementara sampai dengan kuat dukung (bearing capacity) tanah lunak meningkat hingga cukup untuk mendukung beban diatasnya. Analisa dengan metoda limit equilibrium akan meninjau tiga modus stabilitas konstruksi timbunan diatas tanah lunak yaitu; stabilitas internal, stabilitas fondasi tanah lunak dan stabilitas keseluruhan konstruksi (overall stability). Gambar 1 menunjukkan tinjauan stabilitas konstruksi timbunan diatas tanah lunak.
Gambar 1. Modus stabilitas pada analisa limit equilibrium
Untuk keperluan perencanaan, profil kuat geser tanah lunak perlu dimodelkan. Dua model dipergunakan untuk mengidealisasikan kuat geser tanah lunak dibawah timbunan yaitu pada lapisan tanah lunak tebal dan tipis. Pada lapisan tanah lunak tebal kuat geser tanah lunak diidealisasikan meningkat sebagai fungsi kedalaman, sedangkan pada lapisan tanah lunak tipis, kuat geser tanah lunak dianggap tetap. Keseimbangan batas pada stabilitas internal seperti terlihat pada Gambar 2, menunjukkan bahwa untuk menghindarkan kerusakan pada konstruksi timbunan, kuat tarik geotextile harus lebih besar dari gaya lateral yang ditimbulkan oleh timbunan diatas tanah lunak.
Gambar 2. Keseimbangan batas pada stabilitas internal
180
International Civil Engineering Conference "Towards Sustainable Civil Engineering Practice"
Hubungan antara kuat tarik geotextile pada stabilitas internal (σreq-int.stab) dengan gaya lateral timbunan (Pfill) dapat disampaikan dengan persamaan:
σ req. int stab > Pfill
(1)
Seperti disampaikan oleh [11] pada Gambar 3, pada stabilitas internal, perkuatan geotextile harus mempunyai dua fungsi yang masing-masing menambah stabilitas konstruksi timbunan, yaitu fungsi pertama adalah menahan gaya lateral timbunan diatas tanah lunak (σreq = Pfill). Apabila kuat tarik geotextile lebih besar dari gaya lateral akibat timbunan (σreq > Pfill), maka fungsi kedua geotextile sebagai perkuatan adalah menjaga agar tidak terjadi keruntuhan fondasi, dan dapat disampaikan dalam persamaan:
σ req. int stab = Pfill + Pfdtn
(2)
dengan σreq.intstab adalah kuat tarik geotextile yang diperlukan pada stabilitas internal, Pfill adalah gaya lateral oleh timbunan, dan Pfdtn adalah geser antara tanah lunak dengan geotextile.
a) tanpa perkuatan
b) dengan perkuatan geotextile
Gambar 3. Diagram kerja perkuatan geotextile (Jewell, 1988) [11]
Pendekatan keseimbangan batas pada stabilitas fondasi seperti yang disampaikan oleh [12] adalah modus keruntuhan fondasi pada lapisan tanah lunak yang tebal adalah akibat rotasi (rotational sliding), seperti terlihat pada Gambar 4a, dan modus keruntuhan pada lapisan tanah lunak yang tipis berbentuk translasi (translation sliding) seperti terlihat pada Gambar 4b.
a) Lapisan tanah lunak tebal
b) lapisan tanah lunak tipis
Gambar 4. Keseimbangan batas pada stabilitas fondasi
Pada keruntuhan bentuk rotasi dan translasi pada lapisan tanah lunak yang tebal, keseimbangan momen untuk memperoleh kuat tarik geotextile yang diperlukan dapat disampaikan dengan persamaan:
181
DJARWADI
σ req. fdtn = dan
[W .c − S (a + b )].FS a
σ req. fdtn = [Pa − Pp − S ]FS
(3)
(4)
dengan σreq.fdtn adalah tegangan ijin geotextile untuk stabilitas fondasi, W adalah berat tanah diatas bidang longsor, a adalah jarak antara permukaan tanah lunak ke titik pusat rotasi, b adalah tebal tanah lunak diatas bidang longsor, Pa dan Pp adalah tekanan aktif dan pasif tanah lunak diatas bidang translasi, dan SF adalah faktor keamanan. Modus keruntuhan pada stabilitas keseluruhan konstruksi (overall stability) mirip dengan modus keruntuhan fondasi. Perbedaan antara keduanya adalah, pada stabilitas fondasi analisa dilakukan hanya pada bagian tanah lunak saja, sedangkan pada stabilitas keseluruhan, analisa keruntuhan dibuat menyeluruh termasuk timbunan dan fondasi tanah lunak dibawahnya. Gambar 5 menunjukkan pola keruntuhan pada analisa stabilitas keseluruhan konstruksi baik keruntuhan rotasi maupun keruntuhan translasi.
a) lapisan tanah lunak tebal
b) lapisan tanah lunak tipis
Gambar 5. Keseimbangan batas pada stabilitas keseluruhan konstruksi
Pada keruntuhan bentuk rotasi dan translasi keseimbangan momen dan gaya untuk memperoleh kuat tarik geotextile yang diperlukan dapat disampaikan dalam persamaan-persamaan:
σ req.ovrstab = dan
FS {Pfill (a − h 3) + W .c − S (a + b )} a
σ req.ovrstab > [Pfill + Pa − Pp − S ]FS
(5)
(6)
dengan σreq.ovrstab adalah tegangan ijin geotextile untuk stabilitas keseluruhan, dan h adalah tebal timbunan tanah diatas tanah lunak. 3.
PEMILIHAN DAN PENETAPAN TEGANGAN IJIN GEOTEXTILE
Tegangan ijin geotextile untuk perencanaan konstruksi perkuatan didefinisikan sebagai kuat tarik ultimate sesuai umur rencana konstruksi dibagi dengan faktor reduksi yang diperhitungkan. Perhitungan tersebut disampaikan oleh [12] dalam persamaan sebagai berikut:
182
International Civil Engineering Conference "Towards Sustainable Civil Engineering Practice"
⎛ 1 1 1 1 ⎞ . . . ⎟⎟ ⎝ f d f env f m f c ⎠
σ all = σ c .⎜⎜
(7)
dengan σall tegangan ijin geotexiile, σc kuat tarik ultimate geotextile sesuai dengan umur konstruksi, fd faktor reduksi karena mechanical damage, fenv factor reduksi oleh kondisi lingkungan, fm faktr reduksi karena extrapolasi data kuat tarik geotextile, and fc faktor aman konstruksi. Pemilihan geotextile untuk perkuatan dipengaruhi oleh 2 faktor yaitu faktor internal dan external. Faktor internal geotextile terdiri dari; kuat tarik geotextile, sifat perpanjangan (creep), struktur geotextile dan daya tahan terhadap faktor lingkungan, sedangkan faktor external adalah jenis bahan timbunan yang berinteraksi dengan geotextile. Struktur geotextile, yaitu jenis anyam (woven) atau niranyam (non-woven) juga mempengaruhi pada pemilihan geotextile untuk perkuatan. Kondisi lingkungan juga memberikan reduksi terhadap kuat tarik geotextile karena reaksi kimia antara geotextile dengan lingkungan disekitarnya. Sinar ultra violet, air laut, kondisi asam atau basa serta mikro organisme seperti bakteri dapat mengurangi kekuatan geotextile. Waktu pembebanan juga mengurangi kekuatan geotextile karena akan terjadi degradasi pada geotextile oleh faktor fatigue dan aging. Untuk menutupi kekurangan tersebut, tidak seluruh kuat tarik geotextile yang tersedia dapat dimanfaatkan dalam perencanaan konstruksi perkuatan. 4. STUDI KASUS KONSTRUKSI JALAN DIATAS TANAH LUNAK Sebagai studi kasus, disampaikan pelaksanaan jalan diatas tanah lunak dengan perkuatan geotextile di pulau Setoko dan Nipah di kepulauan Riau. Jalan yang dibangun di daerah ini melewati beberapa dataran rendah yang tertutup tanaman bakau dan terpengaruh pasang surut. Penyelidikan tanah yang dilakukan menunjukkan bahwa lapisan tanah lunak sampai kedalaman 15 m dibawah permukaan tanah. Gambar 6 menunjukkan potongan melintang tipikal jalan diatas tanah lunak dengan perkuatan geotextile beserta parameter geoteknik bahan timbunan dan tanah lunak.
Gambar 6. Potongan melintang tipikal jalan diatas tanah lunak di pulau Setoko dan Nipah
Karakteristik pemampatan tanah lunak dari hasil uji konsolidasi disampaikan pada Gambar 7. Nilai tersebut akan dipergunakan untuk mengkontrol penurunan selama pelaksanaan timbunan dengan menggunakan settlement plate yang dipasang dengan interval 50 meter. Pada akhir penimbunan tambahan timbunan sebagai kompensasi terhadap penurunan jangka panjang diberikan untuk menjamin agar permukaan jalan sesuai dengan elevasi rencana.
183
DJARWADI
Consolidation pressure (kPa)
Vertical Deformation (%)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0
-10
-20 first layer second layer -30
fill pressure
third layer
Gambar 7. Karakteristik pemampatan tanah lunak dari hasil uji konsolidasi
4.1
KESEIMBANGAN BATAS STABILITAS INTERNAL
Dengan mengacu pada Gambar 3 dan Persamaan (2), tegangan geotextile yang diperlukan adalah:
σ req = Pfill + Pfdtn Pfill = 0.5×Ka×h2×γ
dan
Pfdtn =
(8)
α .S u 0 .n.h FS
(9)
σreq = 86.82 kN/m dengan σreq adalah tegangan ijin geotextile untuk stabilitas internal, Pfill adalah gaya lateral timbunan, Pfdtn adalah gaya geser antara tanah lunak dengan geotextile. 4.2
KESEIMBANGAN BATAS STABILITAS FONDASI
Mengingat ketebalan tanah lunak mencapai 15 meter, maka pola keruntuhan rotasi dipergunakan dalam analisa. Gambar 8 menunjukkan analisa dengan 3 bidang longsoran yang berbeda. Hasil hitungan menunjukkan bahwa bidang longsoran dengan radius R1 memerlukan kuat tarik geotextile yang terbesar, yaitu σreq.fdtn = 198.85 kN/m.
Gambar 8. Pola keruntuhan rotasi pada stabilitas fondasi
184
International Civil Engineering Conference "Towards Sustainable Civil Engineering Practice"
4.3
KESEIMBANGAN BATAS STABILITAS KESELURUHAN
Dengan cara yang sama, keseimbangan batas stabilitas keseluruhan dihitung dengan pola keruntuhan rotasi. Gambar 9 menunjukkan analisa dengan dua bidang longsoran yang berbeda. Hasil hitungan menunjukkan bahwa bidang longsoran dengan radius R2 memerlukan kuat tarik geotextile yang terbesar, yaitu σreq.fdtn = 272.80 kN/m. Hasil hitungan pada tiga modus stabilitas konstruksi timbunan diatas tanah lunak menunjukkan bahwa kuat tarik geotextile maksimum yang diperlukan adalah 272.80 kN/m.
Gambar 9. Pola keruntuhan rotasi pada stabilitas keseluruhan
4.4 PEMILIHAN DAN PENETAPAN TEGANGAN IJIN GEOTEXTILE Untuk memenuhi kriteria perkuatan yang disyaratkan maka dipilih polyester woven geotextile untuk perkuatan jalan diatas tanah lunak di pulau Setoko dan Nipah. Faktor reduksi yang diperhitungkan adalah; bahan timbunan residual soil, maka nilai fd digunakan 1,10. Geotextile dipasang di lingkungan laut, maka nilai fenv diambil 1,05. Tidak terdapat extrapolasi data kuat tarik geotextile untuk umur rencana 2 tahun, maka σc = 75%σult, dan fm diambil 1,00. Faktor aman (fc) diambil sebesar 1.10, sehingga:
75%.σ ult = 60% σult. 1,10 ×1, 00 ×1, 05 ×1, 00 ×1.10
Embankment (m)
5 4
S (m)
σ all =
-1
⇒
σult = 454.67 kN/m.
extra embankment
3
final elevation
2 1 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
-2 Working day
remaining settlement
Gambar 10. Progres pelaksanaan penimbunan jalan diatas tanah lunak.
185
DJARWADI
Penimbunan dilakukan dengan ketebalan 30 cm dan dipadatkan dengan vibratory smooth drum compactor dengan berat 15 ton. Jumlah lintasan yang disyaratkan untuk mencapai derajat kepadatan > 97% Standard Proctor Compaction adalah 8 lintasan dengan kecepatan 10 km/jam. Kadar air pelaksanaan dikontrol pada kisaran (-3% < OMC < +2%). Uji sand cone dilaksanakan dengan interval setiap penimbunan 2500 m3 untuk mengkontrol derajat kepadatan lapangan yang dicapai. Pengamatan pelaksanaan timbunan sepanjang 400 meter, bagian dari pekerjaan disampaikan pada Gambar 10. 5.
PENUTUP
Dari uraian tentang perencanaan jalan diatas tanah lunak dengan perkuatan geotextile dengan metoda limit equilibrium, dan studi kasus, dapat disampaikan bahwa analisa perencanaan dengan metoda limit equilibrium dengan tiga modus stabilitas konstruksi menunjukkan hasil yang memuaskan.
6. DAFTAR PUSTAKA 1. Kerisel, J., Le Barrage d’Arzal un barrage sur sol tres compressible construit au travers d’un estuaire a mare . Geotechnique. Vol.23, No.1:49-65, 1973. 2. Belloni, L, and Sembenelli, P., “Road Embankments on Compressible Soils Constructed with the Aid of Synthetic Fabrics”. Proc 1st Intl Conference on the Use of Fabrics in Geotechnics. Paris. Vol 1:49-54, 1977. 3. Barsvary, A.K, MacClean, M.D, and Cragg, C.B.H., “Instrumented Case Histories of Fabric Reinforced Embankments over peat Deposits”. Proc 2nd Intl Conference on Geotextiles. Las Vegas. Vol III: 647-652, 1982. 4. Fowler, J, and Koerner, R.M., “Stabilization of very weak soft soils using geosynthetics”. Miscellaneous Paper GL-87-3. US Army Corps of Engineer, Waterways Experiment Station. Vicksburg, 1987. 5. Bell, J.R, Greenway, D.R, and Visher, W., “Construction and Analysis of a Fabric Reinforced Low Embankment”. Proc 1st Intl Conference on the Use of Fabrics in Geotechnics. Paris. Vol 1:71-75, 1977. 6. Brown, B.S, and Poulos, H.G., “Analysis of Foundations on Reinforced Soil”. Civil Engineering Research Report R.377. University of Sydney, 1980. 7. Rowe, K.R, and Soderman, K.L., “Stabilization of Very Soft Soils using High Strength Geosynthetics: the Role of Finite Element Analyses”. Geotextiles and Geomembranes. Vol.6, No.1-3: 53-80, 1987. 8. Broms, B.B., “Polyester fabric as reinforcement in soil”. Proc 1st Intl Conference on the Use of Fabrics in Geotechnics. Paris. Vol 1:129-135, 1977. 9. Houlsby, G.T, and Jewell, R.A., “Analysis of unreinforced and reinforced embankment on soft clays by plasticity theory”. Proc Conf on Numerical Method in Geomechanics (Innsbruck 1988), A.A. Balkema: 1443-1448, 1988. 10. Hird, C.C., and Jewell, R.A., “The Theory of Reinforced Embankment”. Proc Conf of Reinforced Embankments, Theory and Practice in the British Isles. Thomas Telford: 117-142, 1990. 11. Jewell, R.A., “The mechanics of reinforced embankments on soft soils”. Geotextiles and Geomembranes. Vol.7: 237-273, 1988. 12. Voskamp, W., “Determination of allowable design strength of polyester reinforcing mats”. Proc Conference Reinforced Embankments: Theory and Practice in the British Isles. Thomas Telford. pp 67-81, 1990.
186
