STUDI PARAMETER PERENCANAAN STONE COLUMN UNTUK PERBAIKAN BEARING CAPACITY DAN SETTLEMENT PADA TANAH LEMPUNG Study Parameters Design Stone Column For Improving Bearing Capacity and Settlement on Clay Soil Immanuel Hepma Sihol Mardame Sihombing - 15008083 Program Studi Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan ITB, Bandung email:
[email protected]
ABSTRAK : Stone column merupakan salah satu metode perbaikan tanah baik pada tanah lempung maupun tanah berpasir. Pada tanah lempung, penggunaan stone column dapat meningkatkan dan memperbaiki masalah daya dukung tanah dan penurunan yang terjadi. Dalam tugas akhir ini, ditinjau kemampuan daya dukung dan penrunan yang terjadi pada tanah lempung yang akan menerima beban tanah timbunan. Studi parameter ini ingin melihat bagaimana hubungan dari masing-masing parameter yang diperhitungkan dalam perhitungan perencanaan stone column dengan metode FHWA terhadap peningkatan kapasitas daya dukung serta penurnan yang terjadi. Sehingga dapat melakukan estimasi cepat dalam perencanaan stone column pada tanah lempung. Kata Kunci: Stone Column, Tanah Timbunan, Lempung, Daya Dukung, Penurunan
Dengan perbaikan menggunakan teknik stone column ini, diharapkan tanah lempung dapat menghasilkan kapasitas daya dukung besar sehingga beban timbunan yang bekerja menjadi lebih besar, sehingga konsolidasi yang terjadi menjadi lebih cepat karena stone column sendiri juga dapat menjadi drainase tambahan untuk mengeluarkan air pori. Selain itu dengan stone column diharpkan pula penurunan yang terjadi akibat beban timbunan tersebut menjadi lebih kecil/berkurang. Tugas akhir ini akan membahas hubungan parameter-parameter pada tanah lempung, stone column, beban tanah timbunan terhadap perbaikan daya dukung yang dapat diberikan tanah serta penurunan yang akan terjadi. Dengan perhitungan perencanaan stone column menggunakan metode FHWA (Federal Highway Administration Office of Engineering and Highway Operations Research and Development Washington, D.C.)
PENDAHULUAN Salah satu metode yang dapat digunakan dalam perbaikan tanah adalah Stone Column atau Kolom Batu. Metode perbaikan tanah ini pertama kali dikembangkan di Eropa pada tahun 1930an di Prancis dan mulai berkembang pesat pada akhir tahun 1950an. Metode ini biasanya digunakan unuk perbaikan tanah kohesif lunak untuk menaikkan daya dukung tanah dan untuk mengurangi settlements atau penurunan tanah yang akan terjadi. Teknik perbaikan tanah dengan menggunakan stone column ini sangat baik untuk digunakan pada struktur yang memiliki area yang luas seperti tanki penyimpanan minyak, timbunan, dan struktur lain yang mungkin memiki penurunan yang besar. Dalam konstruksi, timbunan tanah merupakan salah satu metode penyesuaian elevasi permukaan tanah, namun mengakibatkan terjadinya penurunan (konsolidasi) pada tanah lempung. Oleh karena itu pada tanah lempung proses konsolidasi ini menjadi salah satu hal yang sangat diperhatikan karena membutuhkan waktu yang cukup lama. Hal ini terjadi dikarenakan daya dukung tanah terhadap beban timbunan sangat rendah, sehingga beban timbunan yang diberikan pada tanah dilakukan secara bertahap dan sebagian.
TEORI PERENCANAAN STONE COLUMN Tipe dan Pola Pemasangan Stone Column Ada 2 tipe pemasangan stone column, yaitu fixed type dan floating type. Untuk studi parameter ini, tipe pemasangan yang digunakan adalah fixe type, dimana pemasangan stone
1
column diasumsikan sampai mencapai tanah yang cukup keras. Selain itu, untuk pola pemasangan stone column yang digunakan adalah pola segitiga sama sisi.
dan kekakuan (stiffness) dari stone column lebih besar dibandingkan dengan kekuatan dan kekakuan (stiffness) tanah yang diperkuatnya, sehingga tegangan yang diterima oleh tanah yang diperkuat akan lebih kecil dari tegangan yang diterima oleh tanah keseluruhan. Berdasarkan metode FHWA, dan pengalaman di lapangan, Besarnya faktor penumpukan tegangan berkisar antara 2-5, sehingga pada tugas akhir ini diasumsikan n = 3.
Dengan pola pemasangan segitiga sama sisi ini, maka diameter ekuivalen (De) yang dipengaruhi oleh 1 stone column adalah sebesar 1,05 kali spasi pemasangan stone column tersebut. Area Replacement Rasio (Rasio Pergantian Luas (as)) Volume tanah stone column yang akan menggantikan tanah asli, memiliki pengaruh yang penting terhadap hasil dari perkuatan tanah, dan mempengaruhi besarnya volume tanah yang akan tergantikan. Untuk menghitung jumlah pergantian tanah yang dibutuhkan Stone Column, ditetapkan rasio pergantian luas ( s), dengan rumusan sebagai berikut
Dengan adanya faktor penumpukan tegangan ini, maka rasio tegangan yang diterima oleh tanah lempung terhadap tegangan rata-rata menjadi lebih kecil pada daerah pengaruhnya, nilai rasio ini ditentukan berdasarkan persamaan berikut, ( )
dengan
As = luas stone column A = luas total unit cell Dimana untuk pola pemasangan segitiga sama sisi, nilai
Dimana,
( ) atau dengan rumus berikut : ( ) dimana
(
)
D = Diameter Stone Column De = Diameter Ekuivalen
Konsep Penumpukan Tegangan (n) Dalam perencanaanya, di lapangan diasumsikan penurunan yang terjadi pada stone column dan tanah yang diperkuatnya dianggap sama besar dan terjadi secara bersamaan, oleh karena itu akan terjadi penumpukan dan distribusi tegangan yang diterima stone column dan tanah yang diperkuat seperti yang diilustrasikan pada gambar 2, hal tersebut dikarenakan kekuatan
2
[
(
)
]
[
(
)
]
= rasio tegangan pada stone column terhadap tegangan ratarata pada daerah pengaruh = rasio tegangan pada tanah yang diperbaiki terhadap tegangan ratarata pada daerah pengaruh = Tegangan yang terjadi pada Stone Column = Tegangan yang terjadi pada Tanah
Ilustrasi Unit Cell Stone Column Unit Cell pada Stone Column merupakan satu silinder dengan diameter ekivalen yang meliputi satu Stone Column dengan daerah pengaruhnya. Dalam perencanaannya, konsep Extended Unit Cell wajib berlaku, yaitu saat sebuah grup stone column dengan panjang tak terbatas memikul beban merata, setiap interior kolom dapat
dianggap sebagi unit cell seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3. Karena kesimetrisan geometri dan beban yang bekerja deformasi lateral tidak terjadi pada batas unit cell. Karena kesimetrisan tersebut pula tegangan geser di luar batas unit cell harus bernilai nol. Secara fisik unit cell dimodelkan seperti yang diilustrasikan pada Gambar di bawah ini.
Parameter stone column yang dikombinasikan antara lain, Diameter : 60, 80, 100, 120 cm Spasi : 100, 200, 300, 400 cm Panjang/Kedalaman : 3, 6, 9, 12 cm Sudut Geser Dalam Material : 30,35,40,45 Parameter tanah lempung yang dikombinasikan dalam tugas akhir ini antara lain : Kuat Geser Tanah (Cu) : Cu1 = 25, 50, 100, 150 kN/m2 dan Cu2 = 12,5;25;50;75 kN/m2 Unit Weight Tanah = 16, 17, 18, 29 kN/m3 Sedangkan untuk beban tanah timbunan, kombinasi yang digunakan berupa tinggi timbunan (3,5,6,8 meter), berat jenis tanah timbunan (16 kN/m3), serta lebar tanah timbunan adalah 4 kali tebal tanah. Berikut input dari studi parameter yang digunakan dalam tugas akhir ini.
Dimana, σ0 adalah beban timbunan atau struktur yang diterima oleh tanah. σc adalah tegangan yang akan diterima oleh stone column akibat beban struktur atau timbunan. σs adalah tegangan yang akan diterima tanah lempung di sekitar stone column. D adalah diameter dari stone column, sedangkan De adalah Diameter ekuivalen (pengaruh) dari satu stone column terhadap daera di sekitarnya. L adalah kedalaman dan panjang dari stone column. 3-6 D adalah posisi daerah yang akan memungkinkan terjadinya keruntuhan deep bulging. Posisi ini berada pada kedalaman 3- 6 kali diameter stone column di bawah permukaan tanah. Dan σr adalah tegangan radial stress yang akan diberikan oleh tanah di sekitar stone column sebagai tahanan horisontal terhadap stone column akibat kontribusi dari tegangan vertikal yang diterima tanah di sekitar stone column
PEMILIHAN PARAMETER Studi parameter yang dilakukan pada tanah dengan 1 lapis dan 2 lapis dengan menggunakan 4 kombinasi parameter yang menjadi tolak ukur studi.
3
⁄[
(
) ]
Dan ⁄[ ( ) ] dengan, σ = Tegangan rata-rata yang dapat dipikul oleh unit cell σs = Tegangan maksimum dipikul tanah σc = Tegangan maksimum stone column as = Area replacement ratio µ = adalah Stress Concentration Ratio yang diterima Unit Cell
METODE PERHITUNGAN Perhitungan kapasitas daya dukung stone column menggunakan 2 metode, yaitu (1) metode ̅̅̅̅ , dengan c = undrained FHWA, dimana shear strength tanah lempung, Nc = Faktor kapasitas daya dukung stone column (18 ≤ Nc ≤ 22). (2) Metode Hughes et. AL 1975, dimana (
)(
Skema perhitungan kapasitas daya dukung tanah yang diperbaiki stone column :
), dengan Cu = Undrained
shear strength of the clay, dan = Effective radial stress as measured by pressuremeter (1-2 Cu), serta = Effective stress friction angle dari material stone column. Pada stone column, pengecekkan tahanan terhadap deep bulging harus diperhatikan sehingga pengecekkan batas kapasitas maksimum yang tidak menimbulkan keruntuhan bulging dapat dilihat dari persamaan berikut : ⁄ Dimana,
= Lateral Confinig Stress = Ultimate Vertical Stress = Sudut Geser dalam Material Bila kondisi perlapisan tanah dengan lapisan tanah lunak tidak berada dibawah kedalaman 3 kali diameter stone column, maka pengecekkan keruntuhan deep bulging tidak akan dipertimbangkan. Dalam perhitungan untuk menentukan kapasitas daya dukung tanah yang telah diperbaiki dengan stone column, konsep penumpukan tegangan harus terjadi. Asumsi ini harus terjadi sehingga tegangan rata-rata akan terjadi pada unit cell secara merata. Persamaan yang digunakan untuk penentuan tegangan rata-rata yang diterima unit cell adalah : ( ) Atau
Selain itu, untuk perhitungan settlement yang terjadi pada tanah, digunakan metode analisis 1D Terzaghi
(
)
̅̅̅̅
(
) ,
dengan
perubahan tegangan vertikal yang diterima tanah lempung menjadi lebih kecil yang ditentukan berdasarkan persamaan . Dengan σ adalah rata-rata beban eksternal yang bekerja. Berikut ini skema langkah perhitungan settlement tanah yang telah diperbaiki stone column :
4
Selain itu, untuk penurunan (settlement) yang terjadi pada tanah juga akan mengalami pengurangan, seperti yang dapat dilihat dari grafik dibawah ini, untuk tanah 6 meter :
Berdasarkan grafik-grafik yang ada pada tugas akhir ini, dapat dilakukan estimasi cepat secara konvensional dalam perencanaan perbaikan tanah dengan stone column, yang akan diberi beban timbunan setinggi 3,5,6,8 meter. Sehingga dapat didesain konfigurasi stone column yang dibutuhkan untuk mendapat nilai area replacement rasio yang kita inginkan. Nilai area replacement rasio sendiri merupakan kombinasi dari nilai diameter dan spasi dari stone column. Berikut grafik nilai area replacement rasio :
ANALISIS HASIL STUDI PARAMETER Dari hasil analisis dengan stone column kapasitas daya dukung tanah akan semakin besar, dengan bertambahnya nilai area replacement rasio sehingga beban timbunan yang bekerja pada tanah lempung dapat menjadi lebih besar. Atau dengan adanya perbaikan dengan stone column, maka daya dukung yang dapat diberikan tanah akan semakin besar. Hal ini dapat dilihat dari grafik dibawah ini :
KESIMPULAN
5
Area Replacement Ratio Area Replacement ratio menentukan besarnya kenaikan atau perbaikan (Improvement) yang terjadi pada tanah lempung. Semakin besar area replacement ratio maka peningkatan yang
terjadi semakin besar. Namun peningkatan yang akan dialami tanah lempung akan mencapai nilai maksimum saat nilai area replacement ratio mendekati nilai maksimum = 1. Spasi dan Diameter Pemasangan Stone Column Parameter spasi dan diameter menentukan besarnya Area Replacement Rasio yang diberikan oleh 1 stone column. Semakin besar Spasi maka area replacement ratio akan menjadi semakin kecil, sedangkan semakin besar diameter stone column, maka area replacement ratio akan semakin besar, Selain itu, diameter stone column juga menentukan kondisi kemungkinan terjadinya deep bulging pada satu unit cell stone column. Sudut Geser Material Stone Column Untuk sudut geser material stone column dapat dilihat dari grafik pada bab 5, bahwa nilai sudut geser material (ϕ = 30, 35) tidak terlalu efektif meningkatkan daya dukung tanah yang cukup besar. Nilai sudut geser yang efektif adalah berkisar antara 40-50 derajat. Selain itu nilai peningkatan phi juga tidak menurunkan nilai settlement yang terjadi pada tanah yang diperbaiki, sehingga nilai sudut geser stone column hanya berpengaruh dalam peningkatan daya dukung tanah. Kondisi dan Parameter Tanah Lempung Kondisi perlapisan pada tanah lempung memungkinkan terjadinya deep bulging yang akan terjadi.
walaupun dapat meningkatkan daya dukung tanah, penggunaan stone column lebih efektif dari pondasi dalam pada beberapa ketebalan tanah.
DAFTAR PUSTAKA Bowles, J. E.(1996) Foundation Analysis and Design. The Mc-Graw-Hill Companies, Inc. Bouassida, M. (2008) Comparison Between Stone Columns and Vertical Geodrains With Preloading Embankment Techniques. 6th International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, Arlington,VA. Das, B. M. (2002). Principles of Geotechnical Engineering. Pacifif Grove: Brooks. Cole. U.
S. Department of Transportation-Federal Highway Administration. Design and Construction of Stone Column Vol. I.
U.
S. Department of Transportation-Federal Highway Administration. Design and Construction of Stone Column Vol. II.
Priebe, H. J. (1995). The Design of Vibro Replacement. GeTec Ingenieurgesellschaft. Raju, V. R. (2009). Ground Improvement-Principles and Application in Asia. Ground Improvement Technologies and Case Histories (43-65). Geotechnical Society of Singapore (GeoSS).
Perbaikan tanah dengan stone column sangat baik dalam meningkatkan daya dukung tanah lunak, namun untuk mengurangi masalah settlement stone column masih belum secara efektif mengurangi settlement yang terjadi, karena menurut perhitungan dengan metode FHWA, improvement factor yang terjadi hanya sekitar 1-1,6 saja. Pada tanah lempung, stone column dapat meningkatkan beban timbunan yang dapat bekerja pada tanah lempung. Sehingga proses settlement yang akan terjadi akan semakin cepat apalagi stone column dapat juga berperan sebagai drainase air seperti PVD. Selain itu, stone column juga dapat memperkecil settlement yang akan terjadi pada tanah lempung walaupun tidak terlalu efektif. Dan pelaksanaan konstruksi, permasalahan lain yang harus dipertimbangkan pada stone column adalah aspek ekonomis, karena
Pangestu, S. H. (2010) Desain Dan Pemodelan Stone Column Sebagai Perkuatan Tanah Lunak Di Bawah Timbunan. Tugas Akhir Teknik Sipil ITB. Kempfert, H.G. (2003) Ground Improvement Methods With Special Emphasis on ColumnType Techniques. Germany : Institute of Geotechnique, University of Kassel Shenthan, T. (2005). Soil Desinfication Using VibroStone Columns Supplemented With Wick Drains. Department of Civil, Structural and Environmental Engineering, University at Buffalo.
6
