STUDI MEKANISME ALIH BEBAN PADA SISTIM PONDASI TIANG-RAKIT DENGAN MODEL TANAH ELASTO-PLASTIK
DISERTASI
Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh Roesyanto NIM: 35097016
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2003
ABSTRAK DISERTASI Pondasi rakit bertiang yang telah banyak digunakan selama ini, hanya mengandalkan pelimpahan beban struktur ke tiang tanpa memperhitungkan sumbangan bidang kontak antara rakit dengan tanah. Kebanyakan metode desain analisis saat ini berdasarkan asumsi-asumsi yang relatif konservatif dari perilaku tanah atau interaksi tanah-struktur yang kurang realistis maupun simplifikasi terhadap permasalahannya. Dengan demikian ketidakpastian mekanisme alih beban yang akan terjadi perlu dikompensasi dengan faktor keamanan yang lebih tinggi. Penelitian ini mempelajari sumbangan bidang kontak rakit-tanah, suatu cara yang rasional dan menghasilkan suatu solusi yang lebih riel/nyata. Tujuan penelitian ini adalah untuk menyelidiki mekanisme alih-beban sistim pondasi rakit bertiang dan mengetahui distribusi tegangan dan deformasi yang terjadi pada sistim pondasi tersebut. Untuk mencapai tujuan ini, maka penelitian dilaksanakan dalam dua tahap yaitu tahap uji eksperimental model skala kecil tiang tunggal-rakit dan kelompok tiang-rakit di laboratorium dan tahap pemodelan dengan metode elemen hingga dari tiang tunggal-rakit dan kelompok tiang-rakit, masing-masing memakai model tanah hiperbolik dan elasto-plastik Hardening Soil dengan model antarmuka hiperbolik antara tanah-tiang dan tanah-rakit. Uji eksperimental meliputi empat tahapan kegiatan sebagai berikut. Melaksanakan uji triaksial pasir kwarsa 20-30 dan pasir Tomo kondisi pasir padat dan medium padat. Kemudian melakukan pengembangan sebuah alat geser langsung yang dimodifikasi untuk uji antarmuka permukaan struktur-pasir di laboratorium. Selanjutnya alat
ini
digunakan untuk memperoleh parameter konstitutif
permukaan struktur-pasir untuk kedua tanah pasir percobaan. Berikutnya melakukan uji tekan aksial model pondasi tiang tunggal-rakit pada pasir kwarsa kondisi padat dan medium padat. Uji eksperimental diakhiri dengan melakukan uji tekan aksial model pondasi kelompok tiang 2x2-rakit dan kelompok hang 3x3rakit pada pasir Tomo kondisi padat dan medium padat. Rakit diinstrumentasi dengan sel beban dan tiang diinstrumentasi dengan strain gages.
Pemodelan elemen hingga meliputi empat tahapan kegiatan. Pertama, simulasi elemen hingga terhadap hasil uji triaksial menggunakan model hiperbolik (program Geo2D) dan elasto-plastik Hardening Soil (program Plaxis 2D). Kedua, simulasi
elemen
hingga terhadap hasil uji antarmuka permukaan-pasir
menggunakan model antarmuka hiperbolik (program Geo2D). Tahap ketiga dan keempat, simulasi elemen hingga uji tekan aksial pondasi tiang tunggal-rakit dan kelompok tiang-rakit menggunakan program Geo2D dan Plaxis 2D dan Plaxis 3D. Hasil uji triaksial dan prediksi balik elemen hingga memberikan suatu parameter hiperbolik dan parameter elasto-plastik Hardening Soil untuk kedua tanah pasir percobaan yang cukup baik, yang ditunjukkan oleh kurva tegangan-regangan hasil simulasi elemen hingga menggunakan program Geo2D dan Plaxis 2D yang mendekati hash uji laboratorium. Demikian juga hasil uji antarmuka permukaanpasir dan prediksi balik elemen hingga memberikan suatu parameter antarmuka hiperbolik yang cukup baik, yang ditunjukkan oleh kurva tegangan geserperpindahan tangensial relatif hasil simulasi elemen hingga menggunakan program Geo2D yang mendekati hasil uji laboratorium. Selanjutnya hasil uji model tiang tunggal-rakil bundar memberikan persentase beban pada rakit pada pasir padat lebih besar daripada pada pasir medium padat. Menurut Flemming et al. (1992), mobilisasi friksi tiang tercapai pada perpindahan relatif tanah dan tiang sekitar 0,5%-2% dari diameter tiang dan menurut Das (1990), mobilisasi tahanan ujung tercapai pada pergerakan ujung tiang sekitar 10%-25% dari diameter tiang. Pada pasir padat dan medium padat, persentase beban diterima rakit berturut-turut 37%-58% dan 15%-45% pada perpindahan 0,5%-22% dari diameter tiang. Pada hasil uji model pondasi kelompok tiang-rakit memberikan persentase beban diterima rakit makin besar dengan makin besarnya perpindahan. Model pondasi kelompok tiang 2x2-rakit di pasir Tomo padat memberikan persentase beban pada rakit 2%-39% pada perpindahan 0,5%-30% diameter tiang, sedang kelompok tiang 3x3-rakit di pasir Tomo padat dan medium padat memberikan persentase beban pada rakit berturut-turut 15%-21% dan 11%43%. Persentase beban didukung rakit meningkat dengan makin besarnya rasio luas rakit (A 1 ) dengan luas penampang kepala tiang (A r ) dan makin besarnya rasio jarak antara tiang s
dengan diameter tiang d. Pemodelan elemen hingga dengan elemen antarmuka memberikan prediksi perilaku pondasi yang lebih baik. Mekanisme alih beban sistim pondasi rakit bertiang berjalan sebagai berikut. Mula-mula seluruh beban didistribusikan ke selimut tiang.
Kemudian
penambahan beban didistribusikan ke tahanan ujung tiang dan rakit. Bilamana beban ditambah terus, maka beban pada selimut tiang, tahanan ujung tiang, dan rakit seakan-akan didistribusikan ke lapisan tanah kurang lebih selebar rakit. Keruntuhan yang terjadi berupa keruntuhan kelompok. Beberapa rekomendasi desain pondasi rakit bertiang sebagai berikut. Besar beban didukung rakit pada uji model kelompok tiang 2x2-rakit dan kelompok tiang 3x3rakit cukup bermakna dan mencapai berturut-turut 39% dan 21% beban total pada pasir padat. Maka dalam desain pondasi, kontribusi beban didukung rakit sebaiknya diperhitungkan. Dalam pemodelan elemen hingga, penggunaan elemen antarmuka merupakan sesuatu yang penting. Kapasitas pondasi kelompok tiang di tanah pasir minimal sama atau lebih besar dengan kapasitas tiang tunggal-rakit dikalikan jumlah tiang dalam kelompok. Analisis yang dikembangkan yaitu penggunaan program elemen hingga Geo2D dan analisis pondasi rakit bertiang bujur sangkar secara aksisimetri dan empat persegi panjang secara regangan bidang dengan menerapkan faktor koreksi dari kondisi 3-Dimensi ke kondisi 2Dimensi ekivalen memberikan pengetahuan yang komprehensif dari perilaku sistim pondasi rakit bertiang yang melibatkan interaksi tanah-struktur. Hasil penelitian ini dapat dikembangkan lebih lanjut untuk membuat grafik-grafik desain untuk berbagai konfigurasi pondasi rakit bertiang dengan memvariasi parameter-parameter non-dimensional seperti kekakuan relatif rakit-tanah Krs; kekakuan relatif tiang-tanah Kps; jarak antara tiang (s/d); kelangsingan tiang (Lid); dan jumlah tiang. Disarankan dilakukan penelitian lebih lanjut sistim pondasi rakit bertiang di tanah lempung jenuh untuk mengetahui perilaku sistim pondasi bertiang di tanah kohesif. Disarankan dilakukan penelitian pondasi rakit bertiang dengan skala lapangan sehingga sesuai dengan kondisi aktual kasus gedung.
ABSTRACT Pile-raft foundation has been in use widely, assuming all structure loads to be transferred to piles without the contribution of load taken by contact surface between raft and soil. Methods of analysis currently used in practice are based upon relatively conservative assumptions of soil behavior or on the less realistic soil-structure interaction including over-simplification on the nature of the problems. Those unrealistic and uncertainty in the response have to be compensated by the use of higher safety factor. This research studied the contribution of load taken by contact surface between raft and soil, as a rational analysis and to provide actual and reliable design. The objectives of the research are to study the transfer mechanism of piled raft foundation system and to know the stress distribution as well as deformation taken place on the foundation system. To achieve the objectives, the research work was conducted into two steps, experimental test of small-scale model of single pile-raft and group pile-raft in the laboratory and numerical modeling using finite element method of single pile-raft and group pile-raft, using hyperbolic and elasto-plastic Hardening Soil model including hyperbolic interface model for soil-pile and soilraft interface. The experimental tests in the laboratory consisted of four activities. Firstly, conducting triaxial tests for quartz sand 20-30 and Tomo sand in consolidated drained condition in dense and medium dense sand. Secondly, developing a modified direct shear device for the laboratory structure surface-sand interface tests. This device was employed to obtain the surface-sand interface parameters of both sand samples. Thirdly, conducting axial compressive load tests of single pileraft foundation model in quartz sand 20-30 in dense and medium dense state. Finally, conducting axial compressive load tests of a group 2x2 pile-raft and a group 3x3 pile-raft foundation model in Tomo sand in dense and medium dense state. The raft was instrumented using load cells and the piles were instrumented using strain gages attached along the pile shaft.
The finite element modeling consisted of four activities. First, finite element modeling of triaxial test results using hyperbolic model (Geo2D program) and elasto-plastic Hardening Soil model (Plaxis 2D program) were run. Second, finite element modeling of surface-soil interface tests using hyperbolic interface model were run (Geo2D program). Third and fourth activity, finite element modeling of axial compressive load tests of single pile-raft as well as group pile-raft foundation model were run (Geo2D, Plaxis 2D, and Plaxis 3D program). Results of triaxial tests and back predictions by finite element produced the hyperbolic and the Hardening Soil parameters reasonably well for both sand samples. It was proved by stress-strain curves of simulation finite element modeling using Geo2D and Plaxis 2D program, in which the result curves are close to the laboratory. More over, the results of the surface-soil interface tests and back prediction by finite element also produced hyperbolic parameters reasonably well for both sand samples. It was proved by the shear stress-relative tangential displacement curve of simulation finite element modeling using Geo2D program, in which the result curves are close to the laboratory. The results of loading test on single pile = raft model gave percentage of load carried by raft in dense state was greater than that of medium dense state. According to Flemming et al. (1992), frictional resistance along the pile shaft will be fully mobilized when the relative displacement between the soil and the pile is 0,5%-2% of the pile diameter and according to Das (1990), maximum point resistance will be mobilized when the pile tip has gone through a movement of about 10%-25% of the pile diameter. In dense and medium dense sand, percentage of load carried by raft at displacement from 0,5% to 22% of the pile diameter was 37% to 58% and 15% to 45% respectively. The results of loading tests on group pile-raft foundation model gave percentage of load carried by raft increased as displacement increased. Loading test on the group 2x2 pile-raft in dense sand produced percentage of load carried by raft at displacement from 0,5% to 30% of the pile diameter was 2% to 39%, while on the group 3x3 pile-raft in dense and medium dense sand gave percentage of load carried by raft were 15% to 21% and 11% to 13% respectively. Percentage of load carried by raft increased as ratio
between raft area (Ar ) and total pile head area (A r) and the ratio of pile spacing s to pile diameter d increased. The finite element modeling with interface element produced a better prediction of foundation behavior. The observed load transfer mechanism of piled raft foundation is as follows. In the early loading, the load is transferred along the pile shaft. Then, additional load is distributed to pile tip and the raft. If the load continuously increased, the frictional resistance, the point resistance, and the load carried by the raft are distributed to the soil layer below covering the area of raft width. The failure in this study shows the pattern of group-failure. Several recommendations for design of piled raft foundation are as follows. The percentage of load carried by raft in the group 2x2 pile-raft and the group 3x3 pile-raft model tests are significant and reach 39% and 21% respectively. Hence in designing of piled raft foundation, the contribution of load carried by raft must be considered due to the significant reduction in foundation cost. The utilization of interface element in finite element modeling analysis of piled raft foundation is essential. The capacity of pile group in sand is equal or greater than that of single pile multiplied by the number of piles in group. The analysis developed in this research using finite element program Geo2D and analyzing square piled raft foundation in axisymmetric condition and rectangular piled raft foundation in plain strain condition by applying correction factor representing 3-D to 2-D equivalency could provide a comprehensive knowledge of the behavior of the piled raft foundation system involving soil- structure interaction. The research results can be extended further to develop design charts for piled raft foundation in various configurations by varying non-dimensional parameters such as raft-soil stiffness ratio Krs , pile-soil stiffness ratio K ps , pile spacing ratio, pile slenderness ratio, and the number of piles. It is suggested to conduct the piled raft foundation test in saturated cohesive soil to investigate the behavior of piled raft in cohesive soil. It is recommended to conduct full-scale piled raft foundation test to verify the actual building behavior.
