STUDI KESTABILAN LERENG DENGAN PERKUATAN BORED PILE MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA (Studi Kasus : Bendungan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar Propinsi Nanggroe Aceh Darussalam)
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh DEVI SUNDARY NIM : 25003011 Program Studi Rekayasa Geoteknik
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2005
STUDI ANALISIS STABILITAS LERENG YANG DIMODIFIKASI DENGAN PERKUATAN BORED PILE MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA (Studi Kasus : Bendungan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar, Propinsi Nanggroe Aceh Darussalam)
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh DEVI SUNDARY NIM : 25003011 Program Studi Rekayasa Geoteknik
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2005
ABSTRAK
STUDI ANALISIS STABILITAS LERENG YANG DIMODIFIKASI DENGAN PERKUATAN BORED PILE MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA
Oleh Devi Sundary NIM : 25003011
Studi ini berisi analisis stabilitas lereng Bendungan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar, Nanggroe Aceh Darussalam, di mana dilakukan modifikasi pada bagian hilir bendungan dengan menggunakan perkuatan tiang bor. Pada bagian hilir bendungan tersebut dilakukan pemotongan yang berguna untuk dapat digunakan lahannya, seperti bercocok tanam untuk para penduduk disekitarnya, tempat rekreasi, lapangan yang dapat dipergunakan, dan lain-lain. Lebar lahan yang dipotong sebesar 30 meter dengan tinggi lereng bendungan menjadi 8 meter. Analisis ini dilakukan dengan menggunakan metode elemen hingga dengan bantuan program Plaxis versi 7. Perkuatan lereng dengan tiang bor mempunyai diameter 1,00 meter, kedalaman 18 meter, dan spasi antar tiang bor sebesar 1,5 meter. Berdasarkan hasil analisis dengan menggunakan metode elemen hingga bahwa deformasi yang terjadi sangat kecil, dan menunjukkan bahwa mekanisme keruntuhan adalah jenis rotasi. Hasil analisis perhitungan program bahwa angka keamanan yang dihasilkan sesuai dengan yang disyaratkan. Pada bendungan sebelum dimodifikasi diperoleh faktor keamanan di atas 1,5. Stabilitas akibat pengaruh beban gempa pseudostatic dengan periode ulang 144 tahun, faktor keamanan diperoleh di atas 1,2. Pada analisis kestabilan lereng bendungan yang diperkuat dengan tiang bor diperoleh angka keamanan di atas 1,5, dan akibat beban gempa di atas 1,2. Disamping dilakukan analisis statik, dilakukan juga analisis rembesan baik kondisi steady state maupun kondisi rapid drawdown.
Kata-kata kunci: stabilitas lereng, bendungan yang diperkuat, tiang bor, metode elemen hingga
Abstrak
i
ABSTRACT
STUDY ANALYSIS OF SLOPE STABILITY ON BORED PILE REINFORCED DAM USING FINITE ELEMENT METHODE
By Devi Sundary NIM : 25003011
This study conducted on slope stability of Waduk Keuliling Dam Kabupaten Aceh Besar, Nanggroe Aceh Darussalam, where modification was conducted on the downstream side by installing bored pile reinforcement. In the downstream, the slope was cut to create an open area which can be used for farming, recreation, sports area, etc. Slope cutting area has 30 meters long and 8 meters high.
The analysis using the finite element method using Plaxis Geotechnic Program version 7. Reinforcement in the slope with bored pile, 1 meter in diameter and 18 meters long and 1,5 meters pile spacing. According to the result of the analysis, deformation are small and the mechanism of slope failure is rotation.
The result of the calculation analysis shows that the safety factor is appropriate. Before the modification, the safety factor is higher than 1,5. Other wise the stability caused by the pseudo static earthquake in 144 years period, the safety factor shows higher than 1,2. On the slope stability analysis of the reinforced dam using bored pile shows the value of safety factor higher than 1,5. Under earthquake loading which was calculated by pseudo static method, the safety factor is higher than 1,2. Beside static analysis, seepage analysis under steady state condition and rapid drawdown were also calculated.
Keywords: slope stability, reinforce dam, bored pile, finite element method
Abstract
ii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
Pedoman Penggunaan Tesis
iii
KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur saya panjatkan kepada Allah S.W.T karena atas karuniaNya penyusunan penelitian dan penulisan tesis ini dapat diselesaikan. Namun saya menyadari bahwa dalam penyusunan tesis ini masih terdapat kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun kearah kesempurnaan tesis ini akan diterima dengan senang hati. Pada kesempatan yang baik ini, saya menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Suyud R. Karyasuparta, MSc, Ph.D selaku dosen pembimbing dalam pengerjaan tesis ini, yang telah bersedia menyediakan banyak waktu serta memberikan bimbingan dan bantuan. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. A. Aziz Djayaputra, MSCE dan Bapak Ir. Syarifuddin Nasution, M.Eng, selaku dosen penguji yang telah memberikan saran dan masukan bagi pengerjaan tesis ini. 3. Bapak Dr. Ir. Ilyas Supratman, selaku Ketua KBK Geoteknik dan Bapak Dr. Ir. Bigman M. Hutapea, MSc, selaku Ketua Laboratorium Mekanika Tanah, atas segala bimbingan dan petunjuknya selama mengikuti studi. 4. Seluruh karyawan, juga Fritz dan Andys di laboratorium Mekanika Tanah atas bantuannya dalam penyelesaian tesis ini. 5. Seluruh karyawan Tata Usaha dan Perpustakaan atas bantuannya baik dalam penyelesaian tesis ini maupun selama masa perkuliahan. 6. Kepada pemberi beasiswa yang telah banyak membantu selama studi. 7. Teman-teman seperjuangan: Alex, Dony, P’Dwi, P’Encu, P’Garup, P’Harry, Si Bungsu Pipit, dan P’ Taufik. 8. Rekan-rekan Angkatan ’02 dan ’04: P’ Jalil, Rafika, Mas Iman & Yessie, Abdul, Rifki, Budi, Dani, Dica, Nu2ng, juga temanku Meri, Ina, & Heni. 9. Terakhir kepada yang tersayang Suami & Anakku Adun-Kiram, juga Ibu & Mamak, serta saudara-saudaraku tercinta, atas bantuan, dukungan, doa, dan semangat yang telah diberikan selama studi dan penyelesaian tesis ini. Semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi para pembaca…. Amien Ya Rabbal ‘Alamin
Bandung, 29 Nopember 2005 Devi Sundary
Kata Pengantar
iv
DAFTAR ISI
Halaman ABSTRAK
i
ABSTRACT
ii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
iii
KATA PENGANTAR
iv
DAFTAR ISI
v
DAFTAR LAMPIRAN
viii
DAFTAR GAMBAR
ix
DAFTAR TABEL
xi
BAB I
PENDAHULUAN 1.1
Umum
I-1
1.2
Latar Belakang
I-1
1.3
Tujuan Penelitian
I-2
1.4
Ruang Lingkup Penelitian
I-2
1.5
Metodologi Penelitian
I-3
1.6
Sistematika Penulisan
I-3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1
Konsep Kestabilan Lereng
II-1
2.2
Keruntuhan Lereng
II-1
2.2.1 Kriteria Keruntuhan Mohr Coulomb
II-2
2.2.2 Penyebab Keruntuhan Lereng
II-3
2.2.3 Pola Keruntuhan Lereng
II-4
Pengaruh Air Tanah Terhadap Stabilitas Lereng
II-5
2.3.1
Hukum Darcy
II-5
2.3.2
Persamaan Pengatur
II-8
2.3.3
Penyelesaian Aliran
II-10
2.3
Daftar Isi
2.4
Pengaruh Gempa Terhadap Stabilitas Lereng
II-11
2.5
Analisis Kestabilan Lereng
II-12
v
2.6
2.7
2.5.1
Konsep Faktor Keamanan
II-12
2.5.2
Metode Analisis Kestabilan Lereng
II-14
2.5.3
Metode Analisis Terhadap Pengaruh Gempa
II-20
Struktur dan Konstruksi Turap
II-21
2.6.1
Teori Rankine
II-23
2.6.2
Tekanan Tanah
II-23
2.6.3
Tegangan dan Deformasi Tanah
II-26
Analisa Metode Elemen Hingga
II-27
2.7.1
Konsep Dasar Metode Elemen Hingga
II-27
2.7.2
Formula Elemen Hingga Material Konstruksi
2.7.3 2.8
2.9
Tiang Bor
II-31
Formula Elemen Hingga Pada Rembesan
II-35
Parameter yang Digunakan
II-40
2.8.1
Parameter untuk Pemodelan Tanah
II-40
2.8.2
Parameter Perkuatan Tiang Bor
II-42
2.8.3
Parameter Data Gempa
II-43
Korelasi data Empirik
II-43
2.10 Analisis Pemodelan Material
II-48
2.10.1 Metode Analisis Seepage
II-50
2.10.2 Metode Analisis Safety Factor
II-51
2.11 Tahap Analisis pada Program Plaxis Versi 7
II-52
2.11.1 Tahap Data Masukan (Input)
II-52
2.11.2 Tahap Kalkulasi
II-52
2.11.3 Tahap Keluaran (Output)
II-53
BAB III STUDI KASUS
Daftar Isi
3.1
Data Teknis Bendungan Waduk Keuliling
III-2
3.2
Parameter Material pada Bendungan
III-3
3.3 Data Tanah
III-4
3.4
III-6
Data Gempa
vi
BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN 4.1
Analisis Parameter Tanah
IV-1
4.2
Analisis Struktur Perkuatan Tiang Bor
IV-2
4.3
Analisis Data Gempa
IV-4
4.3.1
4.3.2 4.4
Analisa Tegangan Tubuh Bendungan Terhadap Gempa OBE (Operating Basis Earthquake)
IV-4
Perhitungan Gempa OBE
IV-5
Pelaksanaan Bendungan Waduk Keuliling
IV-6
4.4.1
Tahapan Analisis Stabilitas Bendungan
IV-6
4.4.2
Tahapan Analisis Stabilitas Lereng Bendungan Yang Diperkuat
4.4.3
Tahapan Analisis Seepage pada Stabilitas Lereng Bendungan Yang Diperkuat
4.5
Hasil Analisis Stabilitas Bendungan Waduk Keuliling 4.5.1
IV-7 IV-9
Hasil Analisis Perhitungan Sebelum Bendungan Diperkuat
4.5.2
IV-7
IV-9
Hasil Analisis Perhitungan Setelah Bendungan Diperkuat
IV-12
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1
Kesimpulan
5.2 Saran
V-1 V-2
DAFTAR PUSTAKA
Daftar Isi
vii
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 3.1 Bendungan Utama STA 0+500, STA 560, dan STA 0+600
1
Lampiran 3.2 Denah Bendungan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar
2
Lampiran 3.3 Lokasi Titik Bor Pada AS Bendungan
3
Lampiran 3.4 Kondisi Lapisan Tanah Pondasi dan Nilai Permeabilitas
4
Lampiran 3.5 Grafik Hubungan Tegangan dan Regangan Lokasi
5
Lampiran 4.1 Hasil Analisis Bendungan Waduk Keuliling Sebelum Diperkuat
6
Lampiran 4.2 Hasil Analisis Bendungan Waduk Keuliling Setelah Diperkuat
Daftar Lampiran
24
viii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1
Selubung Mohr Coulomb
II-2
Gambar 2.2
Beberapa Jenis Pola Keruntuhan
II-5
Gambar 2.3
Percobaan Hukum Darcy
II-6
Gambar 2.4
Elemen Aliran yang Melalui Media Berpori
II-8
Gambar 2.5
Beberapa Variasi Definisi Faktor Keamanan
II-13
Gambar 2.6
Pembagian Massa Tanah yang Menggelincir
II-14
Gambar 2.7
Gaya-gaya yang Bekerja pada Irisan
II-15
Gambar 2.8
Faktor Koreksi fo Metode Simplifikasi Janbu
II-20
Gambar 2.9
Gaya yang Bekerja pada Analisis Pseudostatic
II-21
Gambar 2.10 Dinding Turap Kantilever
II-22
Gambar 2.11 Dinding Turap Berjangkar
II-22
Gambar 2.12 Pergeseran Dinding Turap Akibat Tekanan Tanah Aktif Dan Pasif
II-23
Gambar 2.13 Tekanan Aktif dan Pasif pada Lingkaran Mohr
II-24
Gambar 2.14 Pengaruh Gesekan Terhadap Pergerakan Tanah
II-25
Gambar 2.15 Pengaruh Kekakuan Dinding Turap Terhadap deformasi
II-26
Gambar 2.16 Aplikasi Elemen Segiempat dan Segitiga
II-27
Gambar 2.17 Sistem Koordinat pada Metode Elemen Hingga
II-28
Gambar 2.18 Elemen Satu Dimensi
II-32
Gambar 2.19 Permeabilitas antara Zona Saturated dan Unsaturated
II-38
Gambar 2.20 Definisi Eo dan E50
II-41
Gambar 2.21 Sistem Koordinat Tiga Dimensi dan Konversi Tanda Tegangan Gambar 2.22 Principal Stress Space
II-48 II-50
Gambar 2.23 Aliran Air Melalui Bendungan dengan Permukaan Seepage II-50 Gambar 3.1
Lokasi Bendungan Waduk Keuliling
III-1
Gambar 3.2
Geometri Bendungan Waduk Keuliling
III-2
Gambar 3.3
Susunan Zona Material Bendungan Waduk Keuliling
III-4
Gambar 3.4
Distribusi Kejadian Gempa Disekitar Lokasi
III-6
Gambar 3.5
Distribusi Percepatan Gempa di Batuan Dasar
III-7
Daftar Gambar
ix
Gambar 4.1
Keterangan Parameter Tanah
IV-2
Gambar 4.2
Detail Pemodelan Tiang Bor
IV-2
Gambar 4.3
Bendungan Sebelum Digunakan Perkuatan Tiang Bor
IV-3
Gambar 4.4
Bendungan Yang Diperkuat Dengan Tiang Bor
IV-3
Daftar Gambar
x
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Besar Faktor Keamanan
II-12
Tabel 2.2 Kondisi Keseimbangan Static yang Dipenuhi Metoda Keseimbangan Batas
II-16
Tabel 2.3 Sudut Geser Dalam untuk Beberapa Jenis Tanah
II-44
Tabel 2.4 Sudut Geser Dalam untuk Tanah selain Tanah Lempung
II-44
Tabel 2.5 Modulus Es untuk Beberapa Jenis Tanah
II-45
Tabel 2.6 Korelasi Es dengan Tahan Konus qc
II-45
Tabel 2.7 Korelasi Modulus Elastisitas Es dengan N-SPT
II-46
Tabel 2.8 Korelasi Nilai Tahanan Konus Sondir qc dengan N-SPT
II-46
Tabel 2.9 Korelasi Nilai Tahanan Konus Sondir qc dengan N-SPT
II-46
Tabel 2.10 Nilai Permeabilitas Berdasarkan Jenis Tanah
II-47
Tabel 2.11 Nilai Modulus Elastisitas dan Angka Poisson’s
II-47
Tabel 4.1 Properties Parameter Tanah Model Mohr Coulomb
IV-1
Tabel 4.2 Properti Material Tiang Bor
IV-4
Tabel 4.3 Pelaksanaan Penimbunan Bertahap pada STA 0+500
IV-8
Tabel 4.4 Pelaksanaan Penimbunan Bertahap pada STA 0+560
IV-8
Tabel 4.5 Pelaksanaan Penimbunan Bertahap pada STA 0+600
IV-8
Tabel 4.6 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Sebelum Diperkuat Pada STA 0+500
IV-9
Tabel 4.7 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Sebelum Diperkuat Pada STA 0+560
IV-10
Tabel 4.8 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Sebelum Diperkuat Pada STA 0+600
IV-10
Tabel 4.9 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Setelah Diperkuat Pada STA 0+500
IV-12
Tabel 4.10 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Setelah Diperkuat Pada STA 0+560
IV-13
Tabel 4.11 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Setelah Diperkuat Pada STA 0+600
Daftar Tabel
IV-14
xi
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
Kesimpulan Berdasarkan hasil analisis perhitungan Program Plaxis yang telah
dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan yang mewakili hasil dari keseluruhan penelitian ini. 1. Pemotongan bendungan dibagian hilir dalam rangka penggunaan lahan untuk kepentingan penduduk disekitar lokasi khususnya, dan untuk masyarakat pada umumnya. Lebar lahan yang dipotong sebesar 30 meter dengan tinggi lereng bendungan dibagian hilir menjadi 8 meter. 2. Berdasarkan hasil analisis stabilitas bendungan sebelum diperkuat pada STA 0+500, STA 0+560, dan STA 0+600 diperoleh faktor keamanan di atas 1,5, hal ini juga terjadi pada analisis rembesan baik pada kondisi steady state maupun rapid drawdown. Sedangkan stabilitas akibat pengaruh beban gempa pseudostatic dengan periode ulang 144 tahun, faktor keamanan diperoleh di atas 1,2, di mana analisis rembesan juga menghasil faktor keamanan di atas 1,2. Mekanisme keruntuhan yang terjadi pada ketiga STA tersebut merupakan jenis rotasi. Dengan demikian bendungan aman terhadap bahaya kelongsoran. 3. Pada analisis kestabilan lereng bendungan dengan pemotongan dibagian hilir yang diperkuat dengan tiang bor pada STA 0+500, STA 0+560, dan STA 0+600 menunjukkan bahwa bendungan aman terhadap bahaya kelongsoran. Hal ini dapat dilihat berdasarkan hasil perhitungan program bahwa faktor keamanan yang diperoleh di atas 1,5, sedangkan akibat pengaruh beban gempa di atas 1,2. Mekanisme keruntuhan yang terjadi juga jenis rotasi. 4. Deformasi yang dihasilkan dari keseluruhan analisis kestabilan bendungan baik tanpa perkuatan maupun adanya perkuatan sangatlah kecil, hal ini terlihat jelas dari bentuk keruntuhan yang diperoleh dari hasil output program.
Kesimpulan & Saran
V-1
5. Dengan demikian Bendungan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar dengan menggunakan perkuatan dalam keadaan stabil dan aman terhadap bahaya kelongsoran. Penggunaan perkuatan tiang bor dengan diameter 1,00 meter, kedalaman 18 meter, dan spacing antar tiang bor sebesar 1,5 meter (as ke as) dapat digunakan sebagai daya tahan pada bagian hilir bendungan.
5.2
Saran Setelah melakukan analisis perhitungan, maka penulis memberi saran
untuk lebih mencapai keakuratan hasil adalah sebagai berikut: 1. Oleh karena perkuatan tiang bor yang digunakan untuk menahan gaya dorong tanah, sebaiknya peneliti selanjutnya menggunakan program L-Pile. Dan dapat mengatur beberapa konfigurasi perkuatan tiang bor.
2. Pada analisis rembesan sebaiknya dibandingkan dengan metode elemen hingga yang lain, salah satunya Program SEEP/W.
Kesimpulan & Saran
V-2
DAFTAR PUSTAKA
1. Abraham, L. W. Lee T.S., Sharma S., and Boyce G.M., “Slope Stability and Stabilization Methods”, John Wiley and Sons, Inc. New York, 1996 2. Bowles, Joseph E, “Foundation Analysis and Design”, Fifth Edition, Mc Graw Hill International Edition, 1996 3. Bowles, Joseph E, “Physical and Geotechnical Properties of Soil”, International Student Edition, Mc Graw Hill, Tokyo-Japan. 4. Brinkgreve, R. B. J., dan Vermeer, P. A., Plaxis, “Finite Elemen Code for Soil and Rock Analysis Version 7”. A.A. Balkema/Rotterdam/Brookfield, 1998 5. Chandrakant S. Desai and Jhon T. Christian, “Methods in Geotechnical Engineering”, McGraw-Hill Series, 1977 6. Craig, R.F., “Soil Mechanics”, Fourth Edition, Van Norstrand Reinhold (UK) Co. Ltd., 1987 7. Das, Braja M., “Mekanika Tanah”, Penerbit Erlangga, 1995 8. Dawson E.M., Roth W.H. and Drescher A. “Slope Stability Analysis by Strength Reduction” Geotechnique 49 No. 6, 835-840 9. Duncan, J.M, “State of the art Limit Equilibrium and Finite Element Analysis of Slopes”, Journal of Geotechnical Engineering Division, ASCE, 122 No. 7, 577-596, 1996 10. Hardiyatmo, C.H., “Mekanika Tanah”, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta,. 2002 11. Holtz R.D, dan Kovacs W.D., “An Introduction to Geotecnical Engineering”, Prentice Hall., 1981 12. Jalil, A, “Analisis Rembesan dan Stabilitas Lereng Bendung Waduk Keuliling Kab. Aceh Besar”, Tesis Magister ITB Bidang Rekayasa Geoteknik Program Studi Rekayasa Sipil, 2005 13. Kramer, Steven. L., “Geotechnical Eartquake Engineering”, Prentice Hall Upper Saddle River, New Jersey 07458, 1996 14. Lambe T.W, dan Whitman R.V., “Soil Mechanics”, Jhon Willey and Sons, Inc 1979. 15. Wahana Adya Konsultan, P.T., “Laporan Akhir Geologi Pekerjaan Pemantapan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar”,. 2000 Daftar Pustaka
16. Wiratman dan Associates Bekerjasama dengan Trapenca Puga raya, P.T., “Laporan Utama Evaluasi Geologi, Hidrologi dan Konfirmasi Desain Waduk Keuliling”,. 2002 17. Wiratman dan Associates Bekerjasama dengan Trapenca Puga Raya, P.T., “Gambar Desain Evaluasi Geologi, Hidrologi dan Konfirmasi Desain Waduk Keuliling”,. 2002 18. Wood D.M., “Soil Behavior and Critical State Soil Mechanics”, Cambridge University Press. 1990
Daftar Pustaka
