SIMULASI NUMERIK DEFORMASI EMBANKMENT JALAN PADA TANAH LUNAK DENGAN PERKUATAN HYBRID PILE KAYU GALAM - PVD

SIMULASI NUMERIK DEFORMASI EMBANKMENT JALAN PADA TANAH LUNAK DENGAN PERKUATAN HYBRID PILE KAYU GALAM - PVD NUMERICAL SIMULATION OF DEFORMATION OF ROAD EMBANKMENT ON SOFT SOIL REINFORCED WITH HYBRID PILE OF GALAM TIMBER - PVD

Ahmad, Lawalenna Samang, Tri Harianto

Program Studi Teknik Sipil, Universitas Hasanuddin Makassar

Alamat Korespondensi : Ahmad Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin, Makassar 90245 HP. 085341908954 Email : [email protected]

ABSTRAK Hybrid pile sebagai suatu inovasi dalam rekayasa perbaikan dan perkuatan tanah diharapkan mampu meningkatkan daya dukung tanah dan mempercepat proses konsolidasi. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis efektifitas hybrid pile dengan melakukan simulasi pemodelan timbunan jalan secara beban bertahap. Deformasi embankment jalan perkuatan hybrid pile kayu galam – PVD pada tanah lunak dibandingkan antara hasil analisa numerik dan hasil pengamatan lapangan. Metode yang digunakan adalah analisa deformasi secara numerik dan pengamatan lapangan. Profil geoteknis dan karakteristik lapisan tanah dibuat berdasarkan data penyelidikan tanah. Konstruksi trial embankment direncanakan memiliki panjang 20 m, lebar 30 m, kemiringan lereng 1,5 Horizontal : 1 Vertikal, dan tinggi 4,5 m. Tanah dasar trial embankment menggunakan perkuatan hybrid pile. Hasil analisis menunjukkan bahwa perkuatan tanah dengan menggunakan geotextile tidak sinifikan dalam menambah daya dukung tanah dasar. Perbaikan tanah menggunakan PVD memberikan penurunan yang hampir sama dengan perkuatan geotextile tetapi mampu mempercepat laju dissipasi air pori. Perkuatan dengan cerucuk tegak sangat efektif untuk mereduksi penurunan tanah dasar hingga >40%. Cerucuk kayu galam yang dikombinasikan dengan PVD (hybrid pile) merupakan tipe perkuatan yang paling efektif karena mampu meningkatkan daya dukung dan pada waktu yang bersamaan mampu mempercepat laju konsolidasi. Hasil pengamatan lapangan menunjukkan bahwa perkuatan tanah dasar menggunakan hybrid pile efektif digunakan untuk konstruksi badan jalan di atas tanah lunak untuk tinggi timbunan 4,50 m dan ketebalan maksimum tanah lunak 25 sampai 30 m.

Kata Kunci : cerucuk kayu galam, daya dukung, geotextile, hybrid pile, konsolidasi, penurunan, PVD

ABSTRACT Hybrid pile as an innovation in soil improvement is expected to increase the carrying soil bearing capacity and accelerate of rate consolidation. This study aims to analyze the effectiveness of hybrid pile trough a modeling simulation of road embankment constructed with some stages of load. The deformation of road embankment on soft soil reinforced with hybrid pile of galam timber – PVD is coompared with the result of numerical analysis and field observations. The research used numerically deformation analysis and field observations. Geotechnical profile and the characteristics of soil layer were determined based on the data from soil investigation. The construction of trial embankment was planned to have length of 20 m, width of 30 m, slope of 1.5 horizontal : 1 vertical, and height of 4.5 m. Trial embankment subgrade was reinforced with hybrid pile. The result of the analysis reveal that soil reinforcement with geotextile is not sinificant in increase soil bearing capacity. Compared with the geotextile reinforcement, soil improvement with PVD result in almost the same settlement condition but it was able to accelerate the rate of pore water dissipation Reinforced with conventional pile is very effective in increasing soil bearing capacity up to >40%. Pile of galam timber combined with PVD (hybrid pile) is the most effective type of reinforcement as it can increase the bearing capacity, and at the same time it is able to accelerate rate of consolidation. The result of field observed show that subgrade with reinforced with hybrid pile is effective for road construction on soft soil with embankment height of 4.50 m and maximum soft soil thickness of 25 to 30 m.

Keywords: pile of galam timber, bearing capacity, geotextile, hybrid pile, consolidation, settlement, PVD

PENDAHULUAN Perkembangan konstruksi jalan dimulai bersamaan dengan perkembangan umat manusia yang selalu berkeinginan untuk memenuhi kebutuhan dan berkomunikasi dengan sesama. Alasan utama yang mendasarinya adalah perkembangan ekonomi yang semakin maju disertai dengan kemajuan dunia konstruksi. Konstruksi di atas tanah lempung lunak memerlukan beberapa metode untuk menyelesaikan masalah rendahnya tingkat daya dukung dan lamanya waktu konsolidasi. Peningkatan daya dukung tanah dapat dilakukan dengan penimbunan bertahap dan perkuatan tanah dengan cerucuk, sedangkan untuk masalah konduktifitas, PVD dapat digunakan untuk mempercepat proses disipasi air pori akibat peristiwa pembebanan (Hardiyatmo, 2010; Tanchaisawat dkk., 2008; Darjanto dkk., 2011; Harianto dkk., 2010 & 2012; Herwanto, 2012; Irsyam dkk., 2008; Juniarto dkk., 2011). Penggunaan kayu galam sebagai bahan cerucuk karena kayu galam berumur panjang pada saat di tenggelamkan pada tanah rawa (Supriyati, 2009). Cerucuk kayu galam - PVD (hybrid pile) sebagai suatu terobosan baru dalam rekayasa perbaikan dan perkuatan tanah diharapkan mampu meningkatkan daya dukung tanah dan mempercepat proses konsolidasi. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis efektifitas hybrid pile dengan melakukan simulasi pemodelan timbunan jalan secara beban bertahap dan melakukan validasi secara numerik. Analisis menggunakan metode elemen hingga dilakukan untuk memperkirakan besar penurunan dan setelahnya dilakukan pengujian trial embankment di lapangan.

BAHAN DAN METODE Rancangan penelitian yang dilakukan merujuk kepada hasil pengumpulan data primer dan data sekunder hasil penyelidikan tanah yang di kerjakan di lapangan berupa hasil pengujian resistivity meter, hasil pengujian depth boring with SPT (Standard Penetration Test), hasil pengujian CPT (Cone Pentration Test) dan hasil penyelidikan tanah di laboratorium (tanah dasar dan material timbunan), kondisi muka air tanah, data pengujian karakteristik material kayu galam, data karakteristik material geotekstile dan PVD (Prefebricated Vertical Drain). Data ini diperlukan dalam penentuan lokasi pengujian trial embankment, rancangan dan penggambaran geometri untuk keperluan analisis deformasi embankment jalan. Model Struktur Embankment Pengujian konstruksi trial embankment direncanakan memiliki panjang 20 m, lebar 30 m, kemiringan lereng 1,5 Horizontal : 1 Vertikal, dan tinggi 4,5 m. Tanah di dasar trial

embankment tersebut diberi perkuatan cerucuk kayu galam. Cerucuk kayu galam yang digunakan sedalam 6 m, yang tersusun dari cluster 3 batang kayu galam diikat satu sama lain dan pada bagian tengah cerucuk kayu galam di pasang PVD (hybrid pile) dengan jarak pemasangan 1 m pola bujur sangkar. Proses pemancangan dilakukan secara terbalik agar kayu galam tidak tumbuh didalam tanah. Untuk mencegah masuknya material timbunan ke dalam tanah dasar, maka di atas tanah dasar dipasang woven geotextile dengan kuat tarik TS=52 kN/m sebanyak dua lapis. Penimbunan tahap pertama dilakukan di atas lapisan geotextile. Penimbunan direncanakan sebanyak 3 tahap dan masing- masing tahapan setinggi 1,5 m. Setiap tahapan penimbunan direncanakan selama 7 hari dan antara tahap penimbunan yang satu dengan tahap penimbunan berikutnya, tanah dasar dibiarkan terkonsolidasi selama 14 hari. Sebelum penimbunan tahap pertama, dilakukan pemasangan PHD (Prefabricated Horizontal Drain) yang berfungsi mengalirkan air pori yang mengalir keluar lewat PVD (Prefabricated Vertical Drain), lalu diteruskan menuju saluran drainase sisi kiri dan kanan embankment jalan. Laju penurunan dikontrol menggunakan settlement plate yang dipasang pada bagian tengah, sisi kiri dan sisi kanan embankment, sedangkan tegangan air pori akan dikontrol dengan memasang piezometer pada bagian tengah trial embankment jalan pada kedalaman -3,0 meter, kedalaman -6,0 meter, dan kedalaman -20,0 meter. Pergerakan horizontal yang terjadi dikontrol dengan memasang inclinometer pada kaki embankment hingga mencapai tanah keras. Model struktur embankment, posisi penempatan instrument dan detail hybrid pile diperlihatkan pada (gambar 1). Rancangan Analisa Numerik Analisa penurunan yang terjadi pada tanah dasar dilakukan secara numerik dengan bantuan program komputer yang berbasis elemen hingga (Brinkgreve, 2007). Pada analisa penurunan, tanah dasar dan tanah timbunan dimodelkan menggunakan material solid, kayu galam dimodelkan menggunakan pegas – pegas, sedangkan perilaku material solid untuk tanah timbunan dan tanah dasar dimodelkan dengan material elastic - plastik. Material geotextile dimodelkan sebagai elemen tarik dengan tensile strength 52 kN/m. Keruntuhan tanah dimodelkan menggunakan teori keruntuhan mohr-coulomb menggunakan parameter – parameter kuat geser tanah (kohesi dan sudut geser tanah), sedangkan perilaku deformasi tanah dimodelkan menggunakan parameter kekakuan tanah. Pegas - pegas untuk memodelkan kayu galam menggunakan model elastik - plastik. Kondisi plastik pegas dihitung dari daya dukung ultimit satu buah cerucuk galam. Sedangkan konstanta pegas dihitung dari daya dukung ultimit satu buah cerucuk dibagi dengan perkiraaan besarnya penurunan yang diperlukan untuk memobilisir daya dukung ultimit cerucuk. (Irsyam dkk., 2008).

HASIL PENELITIAN Propertis Lapisan Tanah Dari hasil uji resistivitas diketahui bahwa pada lokasi rencana pengujian trial embankment terdapat lapisan tanah lempung lunak dengan variasi ketebalan 25 m hingga 35 m. hasil pengujian bor dalam dan pengujian kerucut statis pada lokasi pengujian trial embankment menunjukkan bahwa letak tanah keras berada pada kedalam 30 meter dari permukaan existing. Hasil pengujian karakteristik sifat fisis dan sifat mekanis tanah ditunjukkan pada (tabel 1). Propertis Kayu Galam Material kayu galam yang digunakan sebagai bahan perkuatan pada pengujian trial embankment memiliki kuat tekan sejajar serat 23,24 MPa dan elastistas tekan sejajar serat 948,07 MPa. Kadar air mencapai 22,95 % dan kuat tarik 17,87 MPa. Kuat lentur sebesar 101,35 MPa dan kuat belah 27,46 MPa. Prediksi Laju Penurunan Penurunan yang terjadi mencakup penurunan elastik dan penurunan konsolidasi. Embankment jalan dengan perkuatan geotextile diperoleh penurunan total 3,34 meter dengan waktu konsolidasi mencapai 4360 hari. Pergerakan tanah pada bagian tengah hingga 1/3 dari kaki embankment cenderung vertikal ke arah tanah dasar, sedangkan pergerakan tanah pada bentang 1/3 dari kaki embankment cenderung bergerak kearah horizontal dan terjadi heaving karena bidang keruntuhan yang terjadi masih memotong geotextile. Embankment jalan dengan perkuatan cerucuk kayu galam panjang 6 meter diperoleh penurunan total 2,00 meter dengan lama konsolidasi 3680 hari. Pergerakan tanah yang terjadi cenderung kearah vertikal pada bagian tengah embankment hingga 1/5

dari kaki

embankment, sedangkan pergerakan tanah pada bagian kaki dibawah lereng ekbankment agak condong kearah horizontal namun tidak terjadi heaving. Hal ini disebabkan karena penggunaan cerucuk kayu galam sebagai bahan perkuatan masih mampu memobilisasi pergerakan horizontal pada bagian kaki embankment. Embankment jalan dengan perbaikan menggunakan PVD konfigurasi segi empat panjang 6 meter diperoleh penurunan total 3,11 meter dengan lama konsolidasi 2160 hari. Pergerakan tanah pada bagian tengah hingga 1/3 dari kaki embankment cenderung vertikal ke arah tanah dasar, sedangkan pergerakan tanah pada bentang 1/3 dari kaki embankment cenderung bergerak kearah horizontal. Pada bagian kaki embankment terjadi heaving karena konsolidasi pada tanah dasar masih terjadi pada saat timbunan mulai memotong bidang kelongsoran.

Embankment jalan dengan perbaikan menggunakan PVD konfigurasi segi empat panjang 24 meter diperoleh penurunan total 3,05 meter dengan lama konsolidasi 231 hari. Pergerakan tanah pada bagian tengah hingga 1/3 dari kaki embankment cenderung vertikal ke arah tanah dasar, sedangkan pergerakan tanah pada bentang 1/3 dari kaki embankment cenderung bergerak kearah horizontal. Pada bagian kaki embankment terjadi heaving karena konsolidasi pada tanah dasar masih terjadi pada saat timbunan mulai memotong bidang kelongsoran. Embankment jalan dengan perkuatan menggunakan hybrid pile (cerucuk kayu galam – PVD) panjang 6 meter diperoleh penurunan total 1,80 meter dengan lama konsolidasi 2036 hari. Pergerakan tanah yang terjadi cenderung kearah vertikal pada bagian tengah embankment hingga kaki embankment. Pergerakan tanah pada

bagian kaki lereng

ekbankment agak condong kearah horizontal dan sedikit longsor pada bidang gelincir namun tidak terjadi heaving. Hal ini disebabkan karena penggunaan hybrid pile kayu galam – PVD sebagai bahan perkuatan masih mampu memobilisasi pergerakan horizontal pada bagian kaki embankment. Variasi total penurunan dan lama konsolidasi ditunjukkan pada (gambar 2) dan (tabel 2). Pengujian Trial Embankment Selama konstruksi trial embankment, laju penurunan dipantau setiap hari pada 3 settlement plate yang terpasang. Dari pengamatan settlement plate diketahui bahwa dengan perkuatan tanah dasar menggunakan hybrid pile, daya dukung tanah dasar mencukupi untuk memikul beban akibat trial embankment setinggi 4,50 m dan timbunan memiliki stabilitas lereng yang cukup. Hasil pengamatan penurunan yang terjadi pada settlement plate dibandingkan dengan hasil analisis, sebagaimana ditunjukkan pada (gambar 3).

PEMBAHASAN Penelitian ini memperlihatkan bahwa penurunan terbesar terjadi pada embankment dengan perkuatan geotextile karena tahanan momen tambahan dari kuat tarik geotextile tidak begitu sinifikan dalam menambah daya dukung dan bidang kelongsoran yang terjadi masih mampu memotong geotextile. Meskipun demikian, penggunaan geotextile tetap dibutuhkan pada penimbunan diatas tanah rawa lunak karena geotextile dalam hal ini juga berfungsi sebagai separator antara tanah dasar dan material timbunan. Untuk perbaikan tanah dengan menggunakan vertical drain, penurunan yang terjadi hampir sama dengan perkuatan geotextile tetapi proses konsolidasi dan laju dissipasi air pori yang terjadi menjadi lebih cepat tergantung dari panjang vertical drain yang digunakan. Hal ini disebabkan karena fungsi dari

vertical drain adalah memperpendek aliran air pori dalam tanah, sehingga semakin panjang vertical drain yang digunakan maka semakin cepat proses konsolidasi. Perkuatan tanah dengan menggunakan cerucuk kayu galam mampu meningkatkan daya dukung dan mereduksi penurunan hingga >40% sampai pada akhir konsolidasi. Hal ini disebabkan karena cerucuk kayu galam mentransfer beban timbunan kelapisan tanah yang lebih dalam. Cerucuk kayu galam yang dikombinasikan dengan PVD (hybrid pile) merupakan tipe perkuatan yang paling efektif karena mampu meningkatkan daya dukung dan pada waktu yang bersamaan mampu mempercepat laju konsolidasi. Hybrid pile kayu galam – PVD mampu mereduksi penurunan karena penambahan tegangan tanah dasar akibat beban timbunan didistribusikan oleh kelompok tiang. Transfer beban diteruskan melalui tahanan ujung dan tahanan selimut menuju lapisan yang lebih dalam dan pada saat yang bersamaan proses dissipasi air pori menjadi lebih cepat karena kanjang aliran air pori menjadi lebih pendek dan diteruskan melalui PVD. Hasil prediksi secara numerik dan hasil pengujian trial embankment perkuatan hybrid pile dilapangan dibandingkan selama tiga bulan pengamatan, dimana konsolidasi tanah dasar diperkirakan telah mencapai >60%. Sebaran data menunjukkan bahwa penurunan hasil prediksi numerik lebih besar daripada penurunan hasil pengamatan trial embankment. Cerucuk sebagai bahan perkuatan tanah dasar dimodelkan sebagai elemen pegas – pegas tidak mampu menjelaskan Interface antara tanah dan kayu, sehingga penurunan hasil validasi numerik lebih besar daripada hasil pengamatan trial embankment.

KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil analisis secara numerik dan pengamatan lapangan yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa pemodelan dan desain timbunan harus dilakukan secara beban bertahap jika tinggi target yang diinginkan melebihi tinggi kritis timbunan. Hal ini dilakukan untuk menyesuaikan dengan daya dukung tanah dasar agar pada saat dilakukan penimbunan tidak terjadi keruntuhan. Analis embankment jalan dengan tipe perkuatan hybrid pile memberikan penurunan yang kecil (1,80 meter) dibandingkan dengan tipe perkuatan yang lain sekaligus mampu mempercepat proses konsolidasi tanah dasar hingga mencapai 60%. Sistem perkuatan tanah dasar menggunakan hybrid pile efektif digunakan untuk konstruksi badan jalan di atas tanah lunak untuk tinggi timbunan 4,50 m dan ketebalan maksimum tanah lunak 25 sampai 30 m. Efektifitas hybrid pile dalam mereduksi penurunan dan mempercepat konsolidasi harus diuji lebih lanjut melalui model fisik laboratorium maupun uji konstruksi trial embankment skala penuh.

DAFTAR PUSTAKA Brinkgreve R.B.J. (2007). Dasar Teori Plaxis. Belanda: Delft University of Technology & PLAXIS b.v. Darjanto H., Soepriyono D. & Widodo A.B. (2011). Studi Penggunaan Fabrikasi Fondasi Tiang Dari Bambu Sebagai Soil Reinforcement Pada Konstruksi Timbunan Di atas Tanah Lunak. Annual Meeting of Indonesian Geotechnical Society, Jogjakarta. Hardiyatmo H.C. (2010). Mekanika Tanah 2 Edisi Kelima. Yogyakarta: Gadjah Mada University Press. Harianto T., Djamaluddin R., Muhiddin A.B., Maricar I. & Sitepu F. (2012). Characteristic’s and Behaviour Study on Raft and Pile Bamboo as a Soil Embankment Reinforcement (in Indonesia). Proceding of the 6th Annual Meeting of Konfrensi Teknik Sipil (Konteks 6), Trisakti University, November 1-2, 2012, p G59-G65. Harianto T., Samang L. & Zubair A. (2010). Efektifitas Pondasi Raft dan Pile Dalam Mereduksi Penurunan Tanah Dengan Metode Numerik. Konteks 4, pp 79-86. Herwanto W. (2012). Studi Perbandingan Analisis Perbaikan Tanah Lunak Dengan Metode Prefabricated Vertical Drain Pada Berbagai Constitutive Model (Studi Kasus PT. Wilmar Nabati). Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Teknologi Bandung. Irsyam M. & Krisnanto S. (2008). Pengujian Skala Penuh dan Analisis Perkuatan Cerucuk Matras Bambu Untuk Timbunan Badan Jalan Di Atas Tanah Lunak Di Lokasi Tambak Oso, Surabaya, Forum Teknik Sipil No. XVIII/1, p 667-681. Juniarto. (2011). Analisa Waktu Penurunan Tanah Dengan Kombinasi Metode Preloading dan Prefabricated Vertical Drain (PVD) Antara Pola Segitiga dan Persegi Pada Perbaikan Tanah (Studi Kasus Landasan Pacu Bandar Udara Juwata Tarakan). Jurnal Ilmiah Desain dan Konstruksi, Volume 10, No. 1, Juni 2011, Lembaga Penelitian Universitas Gunadarma, p 91-99. Supriyati W. (2009). Keawetan dan Kekuatan Kayu Galam Sebagai Terucuk Penyangga Bangunan Di Tanah Rawa. Yogyakarta: Fakultas Kehutanan Universitas Gadjah Mada. Tanchaisawat T., Bergado D.T. & Voottipruex P. (2008). Numerical simulation and sensitivity analyses of full-scale test embankment with reinforced lightweight geomaterials on soft Bangkok clay. Diakses 1 Juli 2014 Available from: http//www.elsevier.com/locate/geotexmem, 498-511.

Settlement Plate Settlement Plate Piezometer

Settlement Plate Piezometer Piezometer

Selected Sand

H=4,50 m

and Gravel Geotextile 2 lapis Geotextile 1 lapis 1V:1.5H 0.7 m 0.7 m 0.7 m 16,50 m 30.00 m

P3 = -3,0 m

P2 = -6,0 m Bed Rock P1 = -20,0 m m

Hybrid Pile, L=6,0 m

Inclinometer

Gambar 1. Trial embankment dengan perkuatan hybrid pile kayu galam -PVD dan detail Hybrid Pile kayu galam-PVD

Tabel 1. Karakteristik tanah pada lokasi pengujian trial embankment Layer 1 (00,00 - 04,00) m

Layer 2 (04,00 - 06,00) m

Layer 3 (06,00 - 12,00) m

Layer 4 (12,00 - 18,00) m

Layer 5 (18,00 - 25,00) m

Layer 6 (25,00 - 30,00) m

Fill

Soil Type Clay

Sand

Slected Sand and Gravel

unsat

[kN/m³]

12

12

13

15

16

16.5

19

sat

[kN/m³]

14.5

14.5

15

16

18

20

20

kx

[m/day]

6.89E-04

6.89E-04

6.89E-04

6.89E-04

6.89E-04

2

2

ky

[m/day]

1.38E-03

1.38E-03

1.38E-03

1.38E-03

1.38E-03

1

1

E

[kN/m²]

-

-

-

-

-

8000

10000

v

[-]

-

-

-

-

-

0.35

0.35

Cc

[kN/m²]

0.9

0.9

0.85

0.6

0.4

-

-

Cs

[kN/m²]

0.13

0.11

0.13

0.09

0.09

-

-

e0

[-]

2.2

2.2

2

1.8

1.5

-

-



[°]

5

8

12

14

16.5

30

33

c

[kN/m²]

10

12

20

25

30

1

1

Gambar 2. Variasi penurunan pada berbagai metode perkuatan

Tabel 2. Variasi penurunan pada berbagai metode perkuatan dan perbaikan tanah

Perbaikan dan Perkuatan Tanah Geotextile Cerucuk kayu galam PVD panjang 6 meter PVD panjang 24 meter Hybrid Pile (cerucuk kayu galam-PVD)

Tinggi Timbunan (m)

Penurunan (m)

4,50 4,50 4,50 4,50

3,34 2,00 3,11 3,05

Reduksi penurunan terhadap geotextile (%) 0 40 7 9

4,50

1,80

46

Waktu Konsolidasi (hari) 4360 3680 2160 231 2036

PRELOAD HEIGHT (m)

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

-0.6

-0.5

0

7

14

21

PREDIKSI NUMERIK

28

35

TRIAL EMBANKMENT 42

TIME (DAY)

49

56

63

Gambar 3. Perbandingan hasil pengujian skala penuh dengan hasil analisis

SETTLEMENT (M)

70

77

84

91

98