STUDI KARAKTERISTIK KUAT GESER TANAH LEMPUNG
DARI UJI UNCONFINED COMPRESSIVE STRENGTH DAN UJI
TRIAKSIAL TAK TERKONSOLIDASI TAK TERDRAINASE
T E S I S
Oleh
RASDINANTA TARIGAN 097016007/TS
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
STUDI KARAKTERISTIK KUAT GESER TANAH LEMPUNG DARI UJI UNCONFINED COMPRESSIVE STRENGTH DAN UJI TRIAKSIAL TAK
TERKONSOLIDASI TAK TERDRAINASE
T E S I S
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Program Studi Teknik Sipil
pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh
RASDINANTA TARIGAN 097 016 007/TS
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
LEMBAR PENGESAHAN
Judul Tesis : STUDI KARAKTERISTIK KUAT GESER TANAH LEMPUNG DARI UJI UNCONFINED COMPRESSIVE
STRENGTH DAN UJI TRIAKSIAL TAK
TERKONSOLIDASI TAK TERDRAINASE Nama Mahasiswa : Rasdinanta Tarigan
Nomor Pokok : 097 016 007 Program Studi : Teknik Sipil
Menyetujui
Komisi pembimbing
Ketua
(Dr. Ir. M. Sofian Asmirza Silalahi, M.Sc.) NIP. 19640404 199103 1 003
Anggota
(Ir. Rudi Iskandar, MT.) NIP. 19650325 199103 1 006
Ketua Program Studi
(Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE.) NIP. 19510629 198411 1 001
Dekan
(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME.) NIP. 19571001 198503 1 005
Telah diuji pada
Tanggal 11 Februari 2012
PANITIA PENGUJI TESIS
KETUA : Dr. Ir. M. Sofian Asmirza Silalahi, M.Sc.
ANGGOTA : Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE.
Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis ”Studi Karakteristik Kuat Geser Tanah Lempung Dari Uji Unconfined Compressive Strength Dan Uji Triaksial Tak Terkonsolidasi Tak Terdrainase” adalah karya saya dan belum pernah diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam tesis ini dan dicantumkan dalam daftar pustaka.
Medan, Februari 2012
ABSTRAK
Gaya perlawanan yang dilakukan oleh butir-butir tanah terhadap tegangan geser pada saat terbebani disebut kuat geser tanah. Parameter kuat geser tanah diperlukan untuk analisis-analisis kapasitas dukung tanah, stabilitas lereng, dan gaya dorong pada dinding penahan tanah. Menurut teori Mohr (1910) kondisi keruntuhan suatu bahan terjadi oleh akibat adanya kombinasi keadaan kritis dari tegangan normal dan tegangan geser.
Penelitian ini dibuat untuk mengetahui perbandingan antara hasil uji triaksial dengan kondisi tak terkonsolidasi-tak terdrainase (Unconsolidated Undrained/UU Test)
dan pengujian menggunakan unconfined compression test; Mengetahui dan menganalisis
prilaku parameter kuat geser dari tanah kondisi tak terganggu (undisturbed) dengan
tanah yang dibentuk kembali (remolded) serta besar kekuatan geser tanah jika diuji
dengan triaksial unconsolidated undrained dan unconfined compression test;
Menganalisis karakteristik thixotropy serta sensitivitas pada tanah lempung; Dan
menganalisis hasil laboratorium dalam program Plaxis. Untuk pengujian kuat tekan
bebas (unconfined compression test) sampel diperam dengan variasi waktu yang
berbeda-beda, yaitu: 0 hari, 1 hari, 5 hari, 10 hari, 15 hari, 20 hari, 25 hari, dan 30 hari. Hasil dari pengujian laboratorium ini nantinya akan dimodelisasi dalam program Plaxis.
Sehingga diperoleh hubungan tegangan-regangan, parameter kuat geser, sensitivitas tanah lempung, karakteristik thixotropy tanah lempung, dan hubungan kadar air lempung
dan kekuatannya.
Hasil penelitian yang diperoleh, diketahui bahwa tanah lempung tersebut termasuk dalam klasifikasi tanah lempung yang kohesif dan bersifat plastisitas tinggi. Pada pengujian triaksial UU diperoleh nilai cu untuk tanah asli (undisturbed) sebesar
0,337 kg/cm2 dan tanah
remoulded sebesar 0,294 kg/cm2, terjadi penurunan kekuatan
sebesar 12,76%. Sementara untuk pengujian kuat tekan bebas (unconfined compression test) nilai cu untuk tanah asli (undisturbed) sebesar 0,308 kg/cm2 dan tanah remoulded
sebesar 0,229 kg/cm2, terjadi penurunan kekuatan sebesar 25,65%. Nilai sensitivitas tanah lempung diperoleh sebesar 1,343, sedangkan rasio thixotropy akan semakin besar
seiring makin pertambahan umur pemeraman. Sampel remoulded akan mencapai
kekuatan seperti tanah asli pada saat umur pemeraman diantara 1 – 5 hari. Sampel yang dimodelisasi dalam program Plaxis menghasilkan tegangan deviator yang hampir sama
dengan pengujian di laboratorium. Model tanah soft soil paling cocok digunakan sebagai
modelisasi pada program Plaxis untuk jenis tanah Pulau Sicanang.
ABSTRACT
The resistance force done by soil grains toward the shear strength when it is burdened is called soil sheer strength. The parameter of the soil shear strength is needed to analyze the capacity of soil, the slope stability, and the thrust strength on the soil
retaining wall. According to Mohr’s theory (1910), the condition of the collapse of
divulging material is caused by the combinations of critical normal strength and shear strength.
This research was conducted to know the comparison between the triaxial of unconsolidated undrained/UU test result and using unconfined compression test, to know and to analyze the parameter of the soil shear strength of the soil condition when it is not disturbed by remolded soil and the soil shear strength if it is tested by the unconsolidated undrained and unconfined compression triaxial test, to analyze the result of the laboratory test in the Plaxis program. For unconfined compression test, the sample is brooded in a variation of time: 0 day, 1 day, 5 days, 10 days, 15 days, 20 days, 25 days, and 30 days. The result of the laboratory test is modeled in the Plaxis program so that we can find the stress-strain, the shear strength parameter, the clay sensitivity, the clay thixotropy characteristics, and the correlation between the water content of the clay and its strength.
The results of the research showed that the clay was included in the classification of the cohesive clay and had high plasticity. In the traxial UU test, it was
found that cu value for undisturbed soil of 0.337 kg/cm2 and the remolded soil of 0.294
kg/cm2 the strength decreased to 12.76%. The unconfined compression test with cu value
for undisturbed soil of 0.308 kg/cm2 and the remolded soil of 0.229kg/cm2, the strength decreased to 25,65%. The value of the clay sensitivity was 1.343, whereas the ratio of thixotropy increased along with the age of the brood. The remolded sample would achieve its strength as the original soil when the age of the brood was from one to five days. The modeled sample in the Plaxis program produces deviator strength which was similar to the test in the laboratory. The soft soil model was appropriate to be used as the model in the Plaxis program for the type of the soil at Pulau Sicanang.
KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karuniaNya yang telah memberi petunjuk, kesehatan, kesempatan, dan kekuatan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan penulisan tesis ini dengan baik. Adapun tesis ini merupakan syarat akhir untuk menyelesaikan pendidikan pada Program Magister Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
Tesis ini berjudul “Studi Karakteristik Kuat Geser Tanah Lempung Dari Uji Unconfined Compresive Strength Dan Uji Triaksial Tak terkonsolidasi Tak Terdrainase” ini dimaksudkan untuk melengkapi syarat menyelesaikan studi pada Program Pascasarjana Magister Teknik Sipil USU.
Pada kesempatan ini, dengan segala kerendahan hati saya mengucapakan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada Bapak Dr. Ir. Sofian A. Silalahi, M.Sc dan Ir. Rudi Iskandar, MT sebagai dosen pembimbing. Selain itu penulis juga mengucapkan terimakasih kepada:
Penulis menyadari bahwa tulisan ini masih banyak kekurangan, namun penulis berharap semoga tulisan ini dapat bermanfaat untuk penulis dan bagi pembaca yang mendalami bidang Teknik Sipil, khususnya bidang Geoteknik. Kritik dan saran mengenai tulisan ini akan diterima dengan ikhlas dan tangan terbuka. Akhir kata semoga tesis ini bermanfaat bagi pengembangan ilmu geoteknik.
Medan, Februari 2012 Penulis
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
A. DATA PRIBADI
Nama : Rasdinanta Tarigan
Tempat / Tanggal Lahir : Pancur Batu / 24 November 1977 Alamat : Jln. Sawit 1/7 P. Simalingkar
Medan, Sumatra Utara
Email : rasdinanta_tarigan@yahoo.co.id Jenis Kelamin : Laki - laki
Status : Kawin
Agama : Kristen Protestan
B. RIWAYAT PENDIDIKAN
1984 – 1990 : SD Negeri 104185 Sunggal 1990 – 1993 : SMP Negeri 1 Sunggal 1993 – 1996 : SMA Negeri 2 Binjai 1996 – 1999 : Politeknik Negeri Medan
Jurusan Teknik Sipil
2001 – 2004 : Universitas Sumatera Utara, Fakultas Teknik Jurusan Teknik Sipil
2009 – 2012 : Universitas Sumatera Utara, Fakultas Teknik Program Studi Magister Teknik Sipil
Konsentrasi Struktur Geoteknik
C. RIWAYAT PEKERJAAN
DAFTAR ISI
2.3 Pembuatan Tanah Remoulded dengan Metode Pemadatan ... 22
2.4 Kekuatan Geser Tanah Lempung ... 23
2.4.1 Kuat Geser Tanah Lempung pada Kondisi Undrained ... 24
2.4.2 Kuat Geser Tanah Lempung Berdasarkan Uji Kuat Tekan Bebas (Unconfined Compression Test) ... 29
2.4.3 Teori Keruntuhan Mohr-Coulomb ... 32
2.5 Kesensitifan dan Thixotrophy dari Tanah Lempung ... 34
2.6 Hubungan Tegangan-regangan pada Program Plaxis ... 39
2.6.1 Definisi Umum dari Tegangan ... 40
2.6.2 Definisi Umum dari Regangan ... 43
2.7 Jenis Material ... 44
2.8 Analisis Tak Terdrainase dengan Parameter Efektif dan Total ... 46
2.9 Pemodelan Material ... 48
2.9.1 Model Elastik Linier ... 49
2.9.2 Model Mohr Coulomb (Perfect-Plasticity) ... 50
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.3.2.1 Indeks Muai Termodifikasi (κ*) dan Indeks Muai Kompresi Termodifikasi (l*) ... 69
3.4 Pemodelan Pengujian Triaksial Model Mohr Coulomb dan Soft Soil 70
3.5 Pemodelan Unconfined Compression Test Model Mohr Coulomb dan Soft Soil ... 73
BAB IV DATA LABORATORIUM 4.1 Data Hasil Laboratorium ... 75
4.7 Perbandingan Hasil Pengujian Triaksial Dengan Pengujian Kuat Tekan Bebas (Unconfined Compression Test) ... 93
BAB V ANALISIS DAN PEMBAHASAN 5.1 Analisis Perbandingan Pengujian Laboratorium terhadap Program Plaxis ... 101
5.1.1 Pengujian Triaksial UU terhadap Program Plaxis ... 110
5.1.2 Pengujian Unconfined Compression Test terhadap Program Plaxis ... 118
5.2 Analisis Mesh Program Plaxis Terhadap Bentuk Benda Uji Saat Runtuh Pada Pengujian Kuat Tekan Bebas (Unconfined Compression Test) ... 128
5.3 Sensitivitas Tanah Lempung ... 130
5.4 Karakteristik Thixotropy Lempung ... 133
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 Kesimpulan ... 142 6.2 Saran ... 144
DAFTAR GAMBAR
No Judul Gambar Halaman
2.1 Diagram fase tanah ... 7
2.2 Klasifikasi butiran menurut sistem USDA, ASTM, MIT International Nomenclature dan British Standard BS 6930 ... 10
2.3 Grafik plastisitas sisitem USCS ... 16
2.4 Mineral-mineral lempung ... 19
2.5 (a) Diagram skematik struktur kaolinite (b) Struktur atom kaolinite ... 19
2.6 (a) Diagram skematik struktur monmorillonite (b) Struktur atom monmorillonite21 2.7 Diagram skematik struktur illite ... 22
2.8 Uji triaksial unconsolidated undrained pada tanah lempung jenuh ... 28
2.9 Kuat geser undrained ... 28
2.10 Skema uji tekan bebas ... 30
2.11 Kondisi tegangan pada keadaan runtuh ... 33
2.12 Alternatif yang menggambarkan kondisi tegangan ... 34
2.13 Kekuatan tekan tak tersekap (unconfined) dari tanah lempung yang asli dan yang telah menderita kerusakan struktural ... 35
2.14 Variasi sensitifitas yang diperoleh dengan Indeks Cair (LI) pada lempung Laurentian (Seed dan Chan, 1959) ... 37
2.15 Kenaikan kembali kekuatan material thixotropic secara parsial (Seed dan Chan, 1959) ... 37
2.16 Kenaikan kekuatan thixotropic dengan waktu untuk tiga lempung dipadatkan (Seed dan Chan) ... 38
2.17 Sistem koordinat umum tiga dimensi dan perjanjian tanda pada tegangan ... 41
2.18 Ruang tegangan utama ... 42
2.19 Ide dasar dari suatu model elastis plastis sempurna ... 52
2.20 Bidang leleh Mohr Coulomb dalam ruang tegangan utama (c = 0) (Plaxis version 8, 2001) ... 54
2.21 Hubungan logaritmik antara regangan volumetrik dan tegangan rata-rata ... 56
2.22 Bidang leleh dari model soft soil dalam bidang p-q ... 58
2.23 Ilustrasi dari seluruh kontur bidang leleh dari model soft soil dalam ruang tegangan utama ... 59
3.1 Skema tahap penelitian ... 65
3.2 Definisi E0 dan E50 untuk hasil uji triaksial terdrainase standar ... 67
3.3 Jendela masukan untuk parameter model Mohr-Coulomb ... 68
3.4 Hubungan logaritmik antara regangan volumetrik dan tegangan rata-rata ... 69
3.5 Jendela masukan untuk parameter model soft soil ... 70
3.6 Konfigurasi model uji triaksial ... 71
3.7 Model generate mesh finite element pada program Plaxis ... 72
3.8 Konfigurasi model unconfined compression test ... 74
4.1 Mikrofoto tanah lempung ... 76
4.3 Rentang batas cair dan indeks plastis untuk klasifikasi tanah berdasarkan
AASHTO ... 81
4.4 Grafik hubungan jumlah pukulan dan berat isi kering (gd) ... 84
4.5 Grafik hubungan tegangan-regangan pada tanah asli dan remoulded pada pengujian triaksial UU ... 86
4.6 Lingkaran Mohr pada tanah asli dan remoulded pada pengujian triaksial unconsolidated undrained ... 87
4.7 Grafik tegangan regangan pada tanah asli ... 90
4.8 Grafik hubungan periode waktu pemeraman terhadap kuat geser ... 92
4.9 Grafik tegangan regangan pada tanah remoulded ... 93
4.10 Grafik tegangan regangan pada tanah asli dengan pengujian triaksial UU dan unconfined compression test ... 94
4.11 Lingkaran Mohr pada tanah asli dengan pengujian triaksial UU dan unconfined compression test ... 95
4.12 Grafik tegangan regangan pada tanah remoulded dengan pengujian triaksial UU dan unconfined compression test ... 97
4.13 Lingkaran Mohr pada tanah remoulded dengan pengujian triaksial UU dan unconfined compression tes ... 99
5.1 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah asli dengan program Plaxis model Mohr-Coulomb ... 103
5.2 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah asli dengan program Plaxis model soft soil ... 104
5.3 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah remoulded dengan program Plaxis model Mohr-Coulomb ... 105
5.4 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah remoulded dengan program Plaxis model soft soil ... 106
5.5 Grafik hubungan tegangan regangan pada program Plaxis model Mohr-Coulomb berdasarkan pengujian kuat tekan bebas (unconfinedcompression test) ... 107
5.6 Grafik hubungan tegangan regangan pada program Plaxis model soft soil berdasarkan pengujian kuat tekan bebas (unconfined compression test) ... 109
5.7 Grafik hubungan tegangan regangan tanah asli pada cell pressure 50 kN/m2 .. 110
5.8 Grafik hubungan tegangan regangan tanah asli pada cell pressure 100 kN/m2 .. 111
5.9 Grafik hubungan tegangan regangan tanah asli pada cell pressure 150 kN/m2 .. 113
5.10 Grafik hubungan tegangan regangan tanah remoulded pada cell pressure 50 kN/m2 ... 114
5.11 Grafik hubungan tegangan regangan tanah remoulded pada cell pressure 100 kN/m2 ... 116
5.12 Grafik hubungan tegangan regangan tanah remoulded pada cell pressure 150 kN/m2 ... 117
5.13 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah tanah asli ... 119 5.14 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah tanah remoulded umur 0 hari . 120
5.15 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah tanah remoulded umur 1 hari . 121
5.16 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah tanah remoulded umur 5 hari . 122
5.17 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah tanah remoulded umur 10 hari 123
5.19 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah tanah remoulded umur 20 hari 125
5.20 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah tanah remoulded umur 25 hari 126
5.21 Grafik hubungan tegangan regangan pada tanah tanah remoulded umur 30 hari 127
5.22 Foto benda uji pada saat runtuh dari unconfined compression test ... 128
5.23 Mesh dan tegangan awal benda uji sebelum diberikan beban ... 129
5.24 Mesh dan deformasi benda uji setelah diberikan beban ... 129
5.25 Grafik tegangan-regangan pada tiga titik yang berbeda ... 130
5.26 Grafik tegangan regangan pada tanah asli dan remoulded dengan unconfined compression test ... 131
5.27 Grafik tegangan regangan pada tanah asli dan remoulded model Mohr- Coulomb ... 132
5.28 Grafik tegangan regangan pada tanah asli dan remoulded Model soft soil ... 133
5.29 Grafik hubungan antara periode waktu pemeraman terhadap sensitivitas yang diperoleh pada lempung Pulau Sicanang berdasarkan uji laboratorium, Plaxis Mohr-Coulomb dan soft soil ... 136
5.30 Grafik hubungan antara Indeks Cair (LI) terhadap sensitivitas yang diperoleh pada lempung Pulau Sicanang berdasarkan uji laboratorium, Plaxis Mohr- Coulomb dan soft soil ... 137
5.31 Grafik hubungan antara periode waktu terhadap rasio kekuatan thixotropy yang diperoleh pada lempung Pulau Sicanang berdasarkan uji laboratorium, Plaxis Mohr-Coulomb dan soft soil ... 139
DAFTAR TABEL
No Judul Tabel Halaman
2.1 Klasifikasi kompresibilitas tanah ... 13
2.2 Sifat-sifat umum lempung lunak ... 14
2.3 Nilai-nilai khas dari aktivasi ... 15
2.4 Batas-batas Atterberg untuk mineral lempung ... 16
2.5 Nilai specific gravity untuk tiap moneral tanah lempung ... 17
2.6 Nilai angka pori, kadar air, dan berat volume kering pada tanah lempung ... 17
2.7 Hubungan kuat tekan bebas (qu) tanah lempung dengan konsistensinya ... 31
2.8 Sensitivitas lempung ... 36
2.9 Sifat-sifat tanah lempung (Seed dan Chan) ... 38
3.1 Nilai-nilai konstanta tanah untuk beberapa jenis tanah lempung ... 70
4.1 Hasil pengujian mineralogi difraksi sinar-x pada tanah lempung ... 76
4.2 Hasil pengujian kadar air asli pada tanah lempung ... 77
4.3 Hasil pengujian atterberg limit pada tanah lempung ... 78
4.4 Hasil analisis saringan ... 78
4.5 Variasi pukulan yang digunakan dalam mendapatkan berat isi kering (gd) ... 84
4.6 Hasil pengujian triaksial UU pada tanah lempung ... 85
4.7 Nilai tegangan-regangan dari pengujian triaksial UU ... 87
4.8 Nilai qu dan cu pada pengujian kuat tekan bebas pada tanah lempung ... 89
4.9 Nilai qu dan cu pada pengujian kuat tekan bebas pada sampel tanah remoulded . 91
5.1 Nilai E50 yang digunakan ... 101
5.2 Nilai Eu yang digunakan ... 102
5.3 Nilai tegangan-regangan saat runtuh pada Plaxis model tanah Mohr-Coulomb . 108 5.4 Nilai tegangan-regangan saat runtuh pada Plaxis model tanah soft soil ... 109
5.5 Nilai indeks cair (LI), sensitivitas, dan rasio kekuatan tanah lempung Pulau Sicanang berdasarkan uji laboratorium ... 134
5.6 Nilai indeks cair (LI), sensitivitas, dan rasio kekuatan tanah lempung Pulau Sicanang berdasarkan program Plaxis model Mohr-Coulomb ... 135
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Parameter tanah model Mohr-Coulomb pada pengujian triaksial Lampiran 2 Parameter tanah model soft soil pada pengujian triaksial
Lampiran 3 Parameter tanah model Mohr-Coulomb pada unconfned compression test
Lampiran 4 Parameter tanah model soft soil pada unconfned compression test
DAFTAR NOTASI
A = luas peampang
Af = parameter tekanan air pori
B = koefisien tekanan air pori
c = kohesi tanah
cu, su = kuat geser undraine
Cv = koefisien konsolidasi
Cc = compression index
C = matrik konstitutif material
e = angka pori
E = modulus elstisitas
Ei = tangent modulus awal
Et = tangent modulus
f = fungsi kriteria leleh
g = fungsi potensial plastis
G = modulus geser (shear modulus)
K’ = modulus bulk untuk skelaton
K = stiffness matrik
n = porositas tanah
p’ = tegangan efektif rata-rata
pp = tekanan prakonsolidasi
q = tegangan deviator
qu = kuat tekan bebas
ST = sensitifitas tanah
w = kadar air
k* = indeksmuaitermodifikasi
l* = indeks kompresi termodifikasi
lb = berat isi basah
lw = berat isi air
ld = berat isi kering
y = sudut dilatancy
m = koefisien friksi
u = konstanta poisson
t = tegangan geser yang bekerja pada bidang runtuh
s, s’ = tegangan total, tegangan efektif
f = sudut geser
ABSTRAK
Gaya perlawanan yang dilakukan oleh butir-butir tanah terhadap tegangan geser pada saat terbebani disebut kuat geser tanah. Parameter kuat geser tanah diperlukan untuk analisis-analisis kapasitas dukung tanah, stabilitas lereng, dan gaya dorong pada dinding penahan tanah. Menurut teori Mohr (1910) kondisi keruntuhan suatu bahan terjadi oleh akibat adanya kombinasi keadaan kritis dari tegangan normal dan tegangan geser.
Penelitian ini dibuat untuk mengetahui perbandingan antara hasil uji triaksial dengan kondisi tak terkonsolidasi-tak terdrainase (Unconsolidated Undrained/UU Test)
dan pengujian menggunakan unconfined compression test; Mengetahui dan menganalisis
prilaku parameter kuat geser dari tanah kondisi tak terganggu (undisturbed) dengan
tanah yang dibentuk kembali (remolded) serta besar kekuatan geser tanah jika diuji
dengan triaksial unconsolidated undrained dan unconfined compression test;
Menganalisis karakteristik thixotropy serta sensitivitas pada tanah lempung; Dan
menganalisis hasil laboratorium dalam program Plaxis. Untuk pengujian kuat tekan
bebas (unconfined compression test) sampel diperam dengan variasi waktu yang
berbeda-beda, yaitu: 0 hari, 1 hari, 5 hari, 10 hari, 15 hari, 20 hari, 25 hari, dan 30 hari. Hasil dari pengujian laboratorium ini nantinya akan dimodelisasi dalam program Plaxis.
Sehingga diperoleh hubungan tegangan-regangan, parameter kuat geser, sensitivitas tanah lempung, karakteristik thixotropy tanah lempung, dan hubungan kadar air lempung
dan kekuatannya.
Hasil penelitian yang diperoleh, diketahui bahwa tanah lempung tersebut termasuk dalam klasifikasi tanah lempung yang kohesif dan bersifat plastisitas tinggi. Pada pengujian triaksial UU diperoleh nilai cu untuk tanah asli (undisturbed) sebesar
0,337 kg/cm2 dan tanah
remoulded sebesar 0,294 kg/cm2, terjadi penurunan kekuatan
sebesar 12,76%. Sementara untuk pengujian kuat tekan bebas (unconfined compression test) nilai cu untuk tanah asli (undisturbed) sebesar 0,308 kg/cm2 dan tanah remoulded
sebesar 0,229 kg/cm2, terjadi penurunan kekuatan sebesar 25,65%. Nilai sensitivitas tanah lempung diperoleh sebesar 1,343, sedangkan rasio thixotropy akan semakin besar
seiring makin pertambahan umur pemeraman. Sampel remoulded akan mencapai
kekuatan seperti tanah asli pada saat umur pemeraman diantara 1 – 5 hari. Sampel yang dimodelisasi dalam program Plaxis menghasilkan tegangan deviator yang hampir sama
dengan pengujian di laboratorium. Model tanah soft soil paling cocok digunakan sebagai
modelisasi pada program Plaxis untuk jenis tanah Pulau Sicanang.
ABSTRACT
The resistance force done by soil grains toward the shear strength when it is burdened is called soil sheer strength. The parameter of the soil shear strength is needed to analyze the capacity of soil, the slope stability, and the thrust strength on the soil
retaining wall. According to Mohr’s theory (1910), the condition of the collapse of
divulging material is caused by the combinations of critical normal strength and shear strength.
This research was conducted to know the comparison between the triaxial of unconsolidated undrained/UU test result and using unconfined compression test, to know and to analyze the parameter of the soil shear strength of the soil condition when it is not disturbed by remolded soil and the soil shear strength if it is tested by the unconsolidated undrained and unconfined compression triaxial test, to analyze the result of the laboratory test in the Plaxis program. For unconfined compression test, the sample is brooded in a variation of time: 0 day, 1 day, 5 days, 10 days, 15 days, 20 days, 25 days, and 30 days. The result of the laboratory test is modeled in the Plaxis program so that we can find the stress-strain, the shear strength parameter, the clay sensitivity, the clay thixotropy characteristics, and the correlation between the water content of the clay and its strength.
The results of the research showed that the clay was included in the classification of the cohesive clay and had high plasticity. In the traxial UU test, it was
found that cu value for undisturbed soil of 0.337 kg/cm2 and the remolded soil of 0.294
kg/cm2 the strength decreased to 12.76%. The unconfined compression test with cu value
for undisturbed soil of 0.308 kg/cm2 and the remolded soil of 0.229kg/cm2, the strength decreased to 25,65%. The value of the clay sensitivity was 1.343, whereas the ratio of thixotropy increased along with the age of the brood. The remolded sample would achieve its strength as the original soil when the age of the brood was from one to five days. The modeled sample in the Plaxis program produces deviator strength which was similar to the test in the laboratory. The soft soil model was appropriate to be used as the model in the Plaxis program for the type of the soil at Pulau Sicanang.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dengan semakin terbatasnya lahan untuk pembangunan fasilitas yang diperlukan manusia mengakibatkan tidak dapat dihindarinya pembangunan diatas tanah lempung lunak. Secara umum tanah lempung lunak adalah suatu jenis tanah kohesif yang mempunyai sifat yang sangat kurang menguntungkan dalam konstruksi teknik sipil yaitu kuat geser rendah dan kompresibilitasnya yang besar. Di samping itu permasalahan bangunan geoteknik banyak terjadi pada tanah lempung, misalnya: terjadi retak-retak suatu badan jalan akibat terjadi peristiwa swelling-shrinking pada tanah dasar, kegagalan
karakteristik tanah lempung di satu daerah berbeda dengan daerah yang lainnya, hal ini tercermin dari banyaknya jenis-jenis tanah lempung seperti: London clay, Weald clay,
Java clay, kaolin dan lain-lain.
Agar tanah lempung lunak tersebut dapat didirikan suatu konstruksi yang dibutuhkan manusia, maka penyelidikan tanah tersebut harus dilakukan secara cermat. Akan tetapi, selama ini penyelidikan tanah di daerah tanah lunak seringkali mengalami kesulitan, berkenaan dengan sulitnya mendapatkan benda uji yang tidak terganggu
(undisturbed sample) dan sulitnya melakukan pengujian terhadap sifat-sifat fisik tanah
lunak termasuk pengujian kekuatan gesernya. Jadi hasil pengujian tanah dari suatu laporan pengujian laboratorium seringkali tidak mewakili kondisi sesungguhnya tanah tersebut di lapangan (in situ). Tentunya hal ini merupakan suatu tantangan untuk dapat
merencanakan suatu bangunan di atas tanah lunak secara aman dan ekonomis, termasuk dalam hal ini adalah menentukan parameter kekuatan tanahnya.
Di samping itu sering ditemukan bahwa hasil yang diperoleh dari penyelidikan lapangan (site investigation) akan bervariasi dari satu areal ke areal lainnya. Untuk
keperluan praktis hal ini membuat sulit pekerjaan analisis sehingga diperlukan tambahan hasil test di laboratorium untuk menjadi dasar analisis suatu pendekatan teoritis maupun pendekatan teknis.
Pengujian kekuatan geser tanah di laboratorium dapat dilakukan dengan memakai berbagai peralatan uji geser, seperti Unconfined Compression, Laboratory
Vane Shear, Direct Shear, dan Triaxial Apparatus. Sesuai dengan karakteristik peralatan
berbeda-beda serta target hasil uji utama dari masing-masing peralatan dalam penentuan parameter tanah.
Dalam penelitian ini pengujian yang dilakukan hanya pengujian unconfined
compression test dan triaxial apparatus. Pada pengujian unconfined compression test
akan di analisis karakteristik thioxotropy serta kesensitivitas tanah lempung. Sementara pada pengujian triaksial unconsolidated undrained akan dianalisis hubungan tegangan
regangan dengan pemberian tekanan sel yang berbeda-beda. Untuk memperoleh parameter kuat geser tanah, dalam tulisan ini dibuat melalui dua pengujian yaitu pengujian triaksial UU dan unconfined compression test. Melalui percobaan triaksial
diperoleh nilai tegangan regangan yang bekerja sekaligus regangan yang terjadi pada sampel tanah, kemudian diperoleh parameter-parameter tanah yang banyak digunakan dalam ilmu mekanika tanah, seperti regangan pada waktu tanah runtuh, kohesi tanah (c). Pada pengujian kuat tekan bebas (unconfined compression test) akan dibentuk sampel
dengan variasi umur pemeraman yang berbeda-beda serta tanah asli (undisturbed).
Nantinya akan diperoleh parameter kuat geser tanah serta karaketristik thixotropy tanah
lempung. Penelitian ini dibuat berdasarkan jurnal dari Abdul Fatal dkk yang berjudul “Studi Karakteristik Parameter Kuat Geser Tanah Lempung Pasir Honje – Tol Cipularang, Jawa Barat”. Dalam jurnal Abdul Fatal dkk membahas tentang kuat geser dengan variasi waktu pemeraman, serta pembasahan sampel dengan variasi waktu juga. Sedangkan pada penelitian ini di samping membahas mengenai kuat geser dengan variasi waktu waktu pemeraman, juga membahas mengenai peristiwa thixotropy. Di
1.2 Tujuan
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Untuk mengetahui perbandingan antara hasil uji triaksial dengan kondisi tak terkonsolidasi-tak terdrainase (unconsolidated undrained/UU Test) dan
pengujian menggunakan unconfined compression test.
2. Mengetahui dan menganalisis perilaku parameter kuat geser dari tanah kondisi tak terganggu (undisturbed) dengan tanah yang dibentuk kembali
(remoulded) serta besar kekuatan geser tanah jika diuji dengan triaksial
unconsolidated undrained dan unconfined compression test.
3. Menganalisis karakteristik thixotropy serta sensitivitas pada tanah lempung.
4. Menganalisis hasil laboratorium dalam program Plaxis.
1.3 Permasalahan
Adapun permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini yaitu antara lain: 1. Bagaimana prilaku tanah lempung jika diberikan tekanan sel yang
berbeda-beda pada pengujian triaksial unconsolidated undrained.
2. Bagaimana permasalahan karakteristik tanah lempung akibat pristiwa
thixotropy.
3. Bagaimana karakteristik kuat geser tanah lempung pada tanah asli dan
remoulded jika diuji dengan triaksial unconsolidated undrained serta
unconfined compression test.
1.4 Pembatasan Masalah
Untuk dapat mencapai tujuan di atas maka dilakukan beberapa pembatasan masalah sebagai berikut:
a. Dalam penelitian ini, sampel tanah yang diuji adalah tanah lempung pada daerah Pulau Sicanang Belawan, Sumatera Utara.
b. Pengujian tanah dilakukan dengan uji triaksial dengan kondisi Tak Terkonsolidasi-Tak Terdrainase (Unconsolidated Undrained Test) dan
Unconfined Compression Test.
c. Pembahasan yang dilakukan dalam penelitian ini mengenai sampel tanah lempung terkonsolidasi normal (normal consolidated clay).
d. Tanah yang diuji adalah tanah asli dan remoulded.
1.5 Sistematika Penulisan
Metode penulisan ini dibagi dalam lima tahap pembahasan yang masing-masing merupakan bab-bab yang berbeda tetapi saling berkaitan dan saling menunjang satu sama lain.
BAB I Pendahuluan
Menguraikan latar belakang dipilihnya topik ini, tujuan yang akan dicapai dalam penelitian dan batasan-batasan dalam penelitian, serta sistematika penulisan.
BAB II Tinjauan Pustaka
triaksial dan unconfined compression test, serta teori Plaxis yang digunakan
sebagai alat bantu untuk analisis numerik. BAB III Metodologi Penelitian
Menerangkan rangkaian seluruh kegiatan penelitian, mulai dari pengambilan tanah lempung sebagai benda uji, analisis pengujian indeks properties tanah, penyiapan benda uji dari tanah asli maupun secara remoulded hingga pengujian
triaksial unconsolidated undrained dan unconfined compression test.
BAB IV Data Laboratorium
Pada bab ini membahas mengenai hasil yang diperoleh dari pengujian laboratorium. Sehingga dari hasil pengujian laboratorium tersebut didapat nilai-nilai parameter tanah, yang nantinya akan digunakan dalam modelisasi pada program Plaxis.
BAB V Analisis dan Pembahasan
Pada bab ini membahas mengenai hasil yang diperoleh dari program Plaxis,
serta dianalisis perbedaan dengan hasil dari laboratorium. Pada bab ini juga dianalisis peristiwa thixotropy yang terjadi pada tanah.
BAB VI Kesimpulan dan Saran
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Deskripsi Tanah 2.1.1 Definisi Tanah
Dalam pengertian teknik secara umum, tanah didefinisikan sebagai material yang terdiri dari agregat (butiran) mineral-mineral padat yang tidak tersementasi (terikat secara kimia) satu sama lain dan dari bahan-bahan organik yang telah melapuk (yang berpartikel padat) disertai dengan zat cair dan gas yang mengisi ruang-ruang kosong di antara partikel-partikel padat tersebut. Sementara tanah menurut Terzaghi yaitu “tanah terdiri dari butiran-butiran hasil pelapukan massa batuan massive, dimana ukuran tiap butirnya dapat sebesar kerikil-pasir-lanau-lempung dan kontak antar butir tidak tersementasi termasuk bahan organik.
Partikel Padat (solid) Air (water) Udara (air)
Volume Rongga (void)
Volume Solid
Gambar 2.1 Diagram fase tanah (Das, 1994)
voids) sebagian atau seluruhnya dapat terisi oleh air atau udara. Bila rongga tersebut
terisi air seluruhnya tanah dikatakan dalam kondisi jenuh. Sehingga jika beban diterapkan pada tanah kohesif yang jenuh maka pertama kali beban tersebut akan didukung oleh tekanan air dalam rongga pori tanahnya. Pada kondisi ini butiran-butiran lempung tidak dapat mendekat satu sama lain untuk meningkatkan tahanan geser selama pori di dalam rongga pori tidak keluar meninggalkan rongga tersebut. Karena rongga pori tanah lempung sangat kecil, keluarnya air pori meninggalkan rongga pori memerlukan waktu yang lama. Jika sesudah waktu yang lama setelah air dalam rongga pori berkurang butiran-butiran lempung dapat mendekat satu sama lain sehingga tahanan geser tanahnya meningkat. Masalah ini tak dijumpai pada tanah granuler yang rongga porinya relatif besar karena sewaktu beban diterapkan air langsung keluar dari rongga pori dan butiran dapat menedekat satu sma lain yang mengakibatkan tekanan gesernya langsung meningkat.
2.1.2 Komposisi dan Istilah Tanah
Pada bidang ilmu teknik sipil, mendefinisikan tanah sebagai semua bahan pada kulit bumi yang tidak terkonsolidasi (unconsolidated). Dan menganggap bahwa batuan
a. Kerikil (gravel): yaitu partikel tanah berbutir kasar yang berukuran 4,76 (No. 4)
sampai 75 mm (No. 3).
b. Pasir (sand): yaitu partikel tanah berbutir kasar yang berukuran 0,074 (No. 200)
sampai 4,76 mm (No. 4). Berkisar dari kasar (3 sampai 5 mm) sampai halus (< 1 mm).
c. Lanau (silt) dan Lempung (clay): yaitu tanah berbutir halus yang berukuran lebih
kecil dari 0,074 mm (No. 200). Lanau (dan lempung) dalam jumlah besar ditemukan dalam deposit yang disedimentasikan ke dalam danau atau dekat garis
pantai pada muara sungai. Deposit loess terjadi bila angin mengangkut
partikel-partikel lanau ke suatu lokasi. Angkutan oleh angin ini membatasi ukuran partikel sedemikian rupa sehingga deposit yang dihasilkan mempunyai ukuran butir yang hampir sama.
d. Koloid (colloids): yaitu partikel mineral yang ”diam”, berukuran lebih kecil dari
0,001 mm.
Adapun batasan-batasan interval dari ukuran butiran/partikel tanah lempung,
lanau, pasir, dan kerikil menurut Bureau of Soil USDA, ASTM, M.I.T, International
Nomenclature, dan British Standard BS 6930 dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Banyak deposit tanah yang mengandung berbagai persentase dari partikel-partikel tersebut di atas. Apabila suatu partikel-partikel merupakan deposit yang terbanyak, maka
deposit tersebut akan diberi nama partikel tadi, misalnya: pasir, kerikil, kerikil kepasiran, lempung, dan sebagainya. Jadi partikel yang memiliki persentase yang paling banyak
kerikil
kasar sedang halus sangathalus lanau lempung pasir
pasir sedang pasir halus lanau lempung
nomen-0,6 0,2 0,06 0,006 0,002 0,0006 0,0002
MIT
BS 6930 national sangat
kasar sedang halus kasar sedang halus
pasir lanau lempung
1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,02 0,006 0,002 0,0006 0,0002mm
clature
nomen- kasar kasar sedang halus kasar halus kasar halus kasar halus sangat halus pasir Mo lanau lempung
Lempung Lanau Pasir Kerikil Cobbles Boulders Halus Medium Kasar Halus Medium Kasar Halus Medium Kasar
0,002
Gambar 2.2 Klasifikasi butiran menurut sistem USDA, ASTM, MIT International Nomenclature dan British Standard BS 6930 (Kovacs, 1981).
Tanah yang rentang partikelnya terdiri dari rentang ukuran kerikil dan pasir disebut tanah berbutir kasar (coarse grained) dan bila partikelnya kebanyakan berukuran
partikel lanau dan lempung disebut tanah berbutir halus (fine grained). Jika mineral
diperlukan gaya yang cukup besar untuk meremas tanah tersebut, dan ini tidak termasuk tanah yang partikel-partikelnya saling melekat ketika dibasahi akibat tegangan permukaan.
Tanah termasuk tipe pasir atau kerikil (disebut juga tanah berbutir kasar) jika setelah kerakal atau berangkalnya disingkirkan, lebih dari 50% material tersebut tertahan pada ayakan No. 200 (0,075 mm). Tanah termasuk tipe lanau atau lempung (disebut juga tanah berbutir halus) jika setelah kerakalnya atau berangkalnya disingkirkan, lebih dari 50% material tersebut lolos ayakan No. 200. Pasir dan kerikil dapat dibagi lagi menjadi fraksi-fraksi kasar, medium, dan halus. Pasir dan kerikil juga dapat dideskripsikan sebagai bergradasi baik, bergradasi buruk, bergradasi seragam, atau bergradasi timpang
(gap-graded).
Istilah pasir, lempung, lanau, dan sebagainya, selain digunakan untuk menggambarkan ukuran partikel pada batas yang telah ditentukan, dapat juga digunakan untuk menggambarkan sifat tanah yang khusus, seperti istilah ”lempung” untuk jenis tanah yang bersifat kohesif dan plastis, dan ”pasir” untuk jenis tanah yang tidak kohesif dan tidak plastis.
2.2 Deskripsi Tanah Lempung
Tanah lempung merupakan tanah yang bersifat multi component yang terdiri dari
lempung sangat tipis kelompok-kelompok partikel kristalnya berukuran koloid (<0,002 mm) dan hanya dapat dilihat dengan menggunakan mikroskop elektron.
Mitchell (1976) memberikan batasan bahwa yang dimaksud dengan ukuran butir lempung adalah partikel tanah yang berukuran lebih kecil dari 0,002 mm, sedangkan mineral lempung adalah kelompok-kelompok partikel kristal berukuran koloid (< 0,002 mm) yang terjadi akibat proses pelapukan dan batuan ditambah dengan sifatnya yang dijelaskan lebih lanjut. Sedangkan menurut Craig (1987), tanah lempung adalah mineral tanah sebagai kelompok-kelompok pertikel kristal koloid berukuran kurang dari 0,002 mm, yang terjadi akibat proses pelapukan kimia pada batuan yang salah satu penyebabnya adalah air yang mengandung asam ataupun alkali, dan karbondioksida.
Lapisan lunak umumnya terdiri dari tanah yang sebagian besar terdiri dari butiran-butiran yang sangat kecil seperti lempung atau lanau. Pada lapisan lunak, semakin muda umur akumulasinya, semakin tinggi letak muka airnya. Lapisan muda ini juga kurang mengalami pembebanan sehingga sifat mekanisnya buruk dan tidak mampu memikul beban.
Sifat lapisan tanah lunak adalah gaya gesernya yang kecil, kemampatan yang besar, dan koefisien permeabilitas yang kecil. Jadi, bilamana pembebanan konstruksi melampaui daya dukung kritisnya maka dalam jangka waktu yang lama besarnya penurunan akan meningkat yang akhirnya akan mengakibatkan berbagai kesulitan.
2.2.1 Karakteristik Fisik Tanah Lempung Lunak
Sifat lapisan tanah lempung lunak adalah gaya gesernya yang kecil, kemampatan yang besar, koefisien permeabilitas yang kecil dan mempunyai daya dukung rendah dibandingkan tanah lempung lainnya. Tanah-tanah lempung lunak secara umum mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:
1. Kuat geser rendah
2. Berkurang kuat gesernya bila kadar air bertambah
3. Berkurang kuat gesernya bila struktur tanahnya terganggu 4. Bila basah bersifat plastis dan mudah mampat
5. Menyusut bila kering dan mengembang bila basah 6. Kompresibilitasnya besar (Tabel 2.1)
Tabel 2.1 Klasifikasi kompresibilitas tanah (Coduto, 1994) Compresibility, C Classification
0 – 0,05 0,05 – 0,1
0,1 – 0,2 0,2 – 0,35
> 0,35
Very slightly compressible Slightly compressible Moderately compressible Highly compressible Very highly compressible
7. Berubah volumenya dengan bertambahnya waktu akibat rangkak pada beban yang konstan
8. Merupakan material kedap air
Menurut Terzaghi (1967) tanah lempung kohesif diklasifikasikan sebagai tanah lempung lunak apabila mempunyai daya dukung ultimit lebih kecil dari 0,5 kg/cm2 dan
Tabel 2.2 Sifat-sifat umum lempung lunak (Toha, 1989)
Lolos saringan no. 200 Kuat geser
Menurut Bowles (1989), mineral-mineral pada tanah lempung umumnya memiliki sifat-sifat sebagai berikut:
1. Hidrasi.
Partikel-partikel lempung dikelilingi oleh lapisan-lapisan molekul air yang disebut sebagai air terabsorbsi. Lapisan ini pada umumnya mempunyai tebal dua
molekul karena itu disebut sebagai lapisan difusi ganda atau lapisan ganda.
2. Aktivitas
Tepi – tepi mineral lempung mempunyai muatan negatif netto. Ini
mengakibatkan terjadinya usaha untuk menyeimbangkan muatan ini dengan tarikan kation. Tarikan ini akan sebanding dengan kekurangan muatan netto dan
dapat juga dihubungkan dengan aktivitas lempung tersebut. Aktivitas ini didefinisikan sebagai :
juga berhubungan dengan kadar air potensial relatif. Nilai-nilai khas dari
Tabel 2.3Nilai-nilai khas dari aktivitas (Mitchell, 1976)
Kaolinite 0,4 – 0,5
Illite 0,5 – 1,0
Montmorillonite 1,0 – 7,0
3. Flokulasi dan Dispersi
Flokulasi adalah peristiwa penggumpalan partikel lempung di dalam larutan air akibat mineral lempung umumnya mempunyai pH > 7 dan bersifat alkali tertarik oleh ion- ion H+ dari air, gaya Van Der Waal. Untuk menghindari flokulasi larutan air dapat ditambahkan zat asam. Tiang pancang yang dipancang ke dalam lempung lunak yang jenuh akan membentuk kembali struktur tanah di dalam suatu zona di sekitar tiang tersebut. Kapasitas beban awal biasanya sangat rendah, tetapi sesudah 30 hari atau lebih, beban desain dapat terbentuk akibat adanya adhesi antara lempung dan tiang.
4. Pengaruh air
Air pada mineral – mineral lempung mempengaruhi flokulasi dan disperse yang terjadi pada partikel lempung. Untuk meninjau karakteristik tanah lempung maka perlu diketahui sifat fisik atau Index Properties dari tanah lempung tersebut,
yaitu:
a. Batas – batas Atterberg (Atterberg Limits)
Tabel 2.4Batas-batas Atterberg untuk mineral lempung (Mitchell, 1976)
Berdasarkan Tabel 2.4 maka dapat dilihat pada Gambar 2.3, tanah lempung lunak dapat dikategorikan ke dalam kelompok MH atau OH berdasarkan sistem klasifikasi tanah unified. Dalam sistem Unified, yang dikembangkan di Amerika Serikat oleh Casagrande (1948), simbol kelompok terdiri dari huruf-huruf deskriptif primer dan sekunder. Klasifikasi didasarkan atas prosedur-prosedur di laboratorium dan di lapangan. Tanah yang mempertunjukkan karakteristik dari dua kelompok harus diberi klasifikasi pembatas yang di tandai oleh simbol yang dipisahkan oleh tanda hubung.
IN
Gambar 2.3Grafik plastisitas, sistem USCS (Das, 1994) Mineral Batas Cair Batas Plastis Batas Susut Montmorillonite 100 – 90 50 – 100 8,5 – 15
Illite 60 – 120 35 – 60 15 – 17
b. Berat Jenis (SG)
Nilai Specific Gravity yang didasarkan pada tiap-tiap mineral pada tanah
lempung lunak dapat dilihat pada Tabel 2.5.
Tabel 2.5Nilai Specific Gravity untuk tiap mineral tanah lempung (Mitchell, 1976)
Mineral Lempung Lunak Specific Gravity (SG)
Kaolinite 2,6 – 2,63
Illite 2,8
Montmorillonite 2,4
c. Permeabilitas Tanah (k)
Struktur tanah, konsistensi ion, dan ketebalan lapisan air yang menempel pada butiran lempung berperan penting dalam menentukan koefisien permeabilitas tanah lempung. Umumnya nilai k untuk lempung kurang
dari 10-6 cm/detik2. d. Komposisi Tanah
Angka pori, kadar air, dan berat volume kering pada beberapa tipe tanah lempung dapat dilihat pada Tabel 2.6.
Tabel 2.6 Nilai angka pori, kadar air, dan berat volume kering pada tanah lempung (Mitchell, 1976)
Kesimpulannya adalah tanah kohesif seperti lempung memiliki perbedaan yang cukup mencolok terhadap tanah non kohesif seperti pasir. Perbedaan tersebut adalah:
Tipe Tanah Angka Pori, e Kadar air dalam keadaan jenuh kering (kN/mBerat volume 3)
Lempung kaku 0,6 21 17
Lempung lunak 0,9 – 1,4 30 – 50 11,5 – 14,5
· Tahanan friksi tanah kohesif < tanah non kohesif
· Kohesi Lempung > tanah granular
· Permeability lempung < tanah berpasir
· Pengaliran air pada lempung lebih lambat dibandingkan pada tanah berpasir
· Perubahan volume pada lempung lebih lambat dibandingkan pada tanah granular.
2.2.2 Mineral Lempung
Mineral lempung merupakan pelapukan akibat reaksi kimia yang menghasilkan susunan kelompok partikel berukuran koloid dengan diameter butiran lebih kecil dari 0,002 mm. Partikel lempung dapat berbentuk seperti lembaran yang mempunyai permukaan khusus. Karena itu, tanah lempung mempunyai sifat sangat dipengaruhi oleh gaya-gaya permukaan. Secara umum kira-kira 15 macam mineral diklasifikasikan sebagai mineral lempung. Di antaranya terdiri dari kelompok-kelompok :
montmorillonite, illite, kaolinite, dan polygorskite. Kelompok yang lain, yang perlu
diketahui adalah : chlorite, vermiculite, dan hallosite.
oksigen
Gambar 2.4 Mineral-mineral lempung (Mitchell, 1976)
Kaolinite merupakan mineral dari kelompok kaolin, terdiri dari susunan satu
lembaran silika tetrahedra dengan lembaran aluminium oktahedra, dengan satuan susunan setebal 7,2 Å (1 angstrom = 10-10 m) (Gambar 2.5a). Kedua lembaran terikat bersama-sama, sedemikian rupa sehingga ujung dari lembaran silika dan satu dari lepisan lembaran oktahedra membentuk sebuah lapisan tunggal. Dalam kombinasi lembaran silika dan aluminium, keduanya terikat oleh ikatan hidrogen (Gambar 2.5b). Pada keadaan tertentu, partikel kaolinite mungkin lebih dari seratus tumpukan yang
sukar dipisahkan. Karena itu, mineral ini stabil dan air tidak dapat masuk di antara lempengannya untuk menghasilkan pengembangan atau penyusutan pada sel satuannya.
7,2 A
Gambar 2.5 (a) Diagram skematik struktur kaolinite (b) Struktur atom kaolinite
Halloysite hampir sama dengan kaolinite, tetapi kesatuan yang berturutan lebih
acak ikatannya dan dapat dipisahkan oleh lapisan tunggal molekul air. Jika lapisan
tunggal air menghilang oleh karena proses penguapan, mineral ini akan berkelakuan lain. Maka, sifat tanah berbutir halus yang mengandung halloysite akan berubah secara
tajam jika tanah dipanasi sampai menghilangkan lapisan tunggal molekul airnya. Sifat
khusus lainnya adalah bahwa bentuk partikelnya menyerupai silinder-silinder
memanjang, tidak seperti kaolinite yang berbentuk pelat-pelat.
Montmorillonite, disebut juga dengan smectit, adalah mineral yang dibentuk
oleh dua buah lembaran silika dan satu lembaran aluminium (gibbsite) (Gambar 2.6a).
lembaran oktahedra terletak di antara dua lembaran silika dengan ujung tetrahedra tercampur dengan hidroksil dari lembaran oktahedra untuk membentuk satu lapisan
tunggal (Gambar 2.6b). Dalam lembaran oktahedra terdapat substitusi parsial aluminium
oleh magnesium. Karena adanya gaya ikatan van der Waals yang lemah di antara ujung
lembaran silika dan terdapat kekurangan muatan negatif dalam lembaran oktahedra, air
dan ion-ion yang berpindah-pindah dapat masuk dan memisahkan lapisannya. Jadi, kristal montmorillonite sangat kecil, tapi pada waktu tertentu mempunyai gaya tarik
yang kuat terhadap air. Tanah-tanah yang mengandung montmorillonite sangat mudah
mengembang oleh tambahan kadar air, yang selanjutnya tekanan pengembangannya dapat merusak struktur ringan dan perkerasan jalan raya. Di samping itu tanah yang
mengandung montmorillonite juga mempunya daya susut yang tinggi pada waktu musim
kemarau. Faktor kembang susut ini yang mengakibatkan struktur perkerasan jalan
aluminium
aluminium
aluminium silika
silika
silika
silika
silika
silika silika
OH OH
OH
OH
oksigen hidroksil aluminium, besi
silika. kadang-kadang magnesium
aluminium
Lapisan-lapisan nH2O dan kation-kation yang dapat bertukar
(b) (a)
Gambar 2.6 (a) Diagram skematik struktur monmorillonite
(b) Struktur atom montmorillonite (Mitchell, 1976)
Illite adalah bentuk mineral lempung yang terdiri dari mineral-mineral kelompok
illite. Bentuk susunan dasarnya terdiri dari sebuah lembaran aluminium oktahedra yang
terikat di antara dua lembaran silika tetrahedra. Dalam lembaran oktahedra, terdapat
substitusi parsial aluminium oleh magnesium dan besi, dan dalam lembaran tetrahedra terdapat pula substitusi silikon oleh aluminium (Gambar 2.7). Lembaran-lembaran
terikat besama-sama oleh ikatan lemah ion-ion kalium yang terdapat di antara
lembaran-lembarannya. Ikatan-ikatan dengan ion kalium (K+) lebih lemah daripada ikatan hidrogen yang mengikat satuan kristal kaolinite, tapi sangat lebih kuat daripada ikatan
ionik yang membentuk kristal montmorillonite. Susunan Illite tidak mengembang oleh
K
K
K
K 10 A
ion kalium aluminium
aluminium
aluminium silika silika
silika
silika
silika
silika
silika o
Gambar 2.7Diagram skematik struktur Illite (Mitchell, 1976)
Air biasanya tidak banyak mempengaruhi kelakuan tanah nonkohesif. Sebagai contoh, kuat geser tanah pasir mendekati sama pada kondisi kering maupun jenuh air. Tetapi, jika air berada pada lapisan pasir yang tidak padat, beban dinamis seperti gempa bumi dan getaran lainnya sangat mempengaruhi kuat gesernya. Sebaliknya, tanah butiran halus khususnya tanah lempung akan banyak dipengaruhi oleh air. Karena pada tanah berbutir halus, luas permukaan spesifik menjadi lebih besar, variasi kadar air akan mempengaruhi plastisitas tanahnya. Distribusi ukuran butiran jarang-jarang sebagai faktor yang mempengaruhi kelakuan tanah butiran halus. Batas-batas Atterberg digunakan untuk keperluan identifikasi tanah ini.
2.3 Pembuatan Tanah Remolded dengan Metode Pemadatan
menggunakan material pemadatan sedikitnya enam lapisan, gunakan tekanan atau remasan, ke dalam suatu cetakan berpenampang lingkaran dan berbentuk silinder dengan diameter minimum 3.3 cm dan perbandingan tinggi dan diameter silinder diantara 2 dan 2,5. Tanah yang akan di buat sebagai benda uji dikumpulkan secara menyeluruh, kemudian dicampur dengan dengan air secukupnya untuk menghasilkan kadar air yang diinginkan.
Setelah benda uji bercampur secara homogen, simpan material tersebut di dalam kantong plastik yang tertutup paling sedikit 16 jam sebelum pemadatan. Benda uji dapat dibentuk kembali dengan kepadatan yang diinginkan juga; (I) remas atau padatkan tiap lapisan hingga massa tanah akumulatif yang ditempatkan dalam cetakan adalah pemadatan untuk mengetahui volume atau (II) dengan menyesuaikan banyaknya lapisan, banyaknya tumbukan tiap lapisan, dan kekuatan tiap tumbukan.. Gemburkan puncak tiap lapisan terlebih dahulu sebelum penambahan material untuk lapisan yang berikutnya. Penumbuk pneumatik yang digunakan untuk memadatkan material mempunyai luasan kontak dengan tanah sama dengan atau kurang dari ½ luasan cetakan tersebut. Setelah benda uji dibentuk, dengan akhir yang tegaklurus kepada poros yang membujur, pindahkan cetakan itu dan tentukan dimensi dan massa benda uji menggunakan alat yang telah ditentukan. Laksanakan satu atau lebih penentuan kadar air pada material yang berlebih gunakan untuk menyiapkan benda uji sesuai dengan ASTM D 2216.
2.4 Kuat Geser Tanah Lempung
Perubahan volume dapat terjadi pada pengujian dengan drainase terbuka
pelonggaran tergantung dari kerapatan relatif maupun tekanan kekang atau tekanan sel
(confining pressure). Demikian pula yang terjadi pada kelakuan tanah kohesif yang
jenuh air bila mengalami pembebanan. Dalam kondisi pengujian dengan drainase terbuka, perubahan volume yang berupa kompresi ataupun pelonggaran tidak hanya tergantung pada kerapatan dan tegangan kekang saja, akan tetapi tergantung pula pada sejarah tegangan. Demikian pula pada pembebanan kondisi tak terdrainase (undrained),
nilai tekanan air pori sangat tergantung dari jenis lempung, apakah lempung tersebut
normally consolidated atau overconsolidated.
Biasanya bekerjanya beban bangunan di lapangan, lebih cepat daripada kecepatan air untuk lolos dari pori-pori tanah lempung akibat pembebanan. Keadaan ini menimbulkan kelebihan air pori (excess pore pressure) dalam tanah. Jika pembebanan
sedemikian rupa sehingga tak terjadi keruntuhan tanah, maka yang terjadi kemudian adalah air pori menghambur ke luar dan perubahan volume terjadi. Kecepatan perubahan volume yang terjadi pada tanah pasir dan lempung berbeda. Karena, kecepatan perubahan volume tanah akan sangat tergantung dari permeabilitas tanah. Karena tanah lempung berpermeabilitas sangat rendah, sedangkan tanah pasir tinggi, kecepatan berkurangnya tekanan air pori akan lebih cepat terjadi pada tanah pasir. Jadi, untuk tanah pasir, perubahan volume akibat penghamburan tekanan air pori akan lebih cepat daripada tanah lempung.
2.4.1 Kuat Geser Tanah Lempung pada Kondisi Undrained
Kuat geser tanah lempung pada kondisi undrained dapat diperoleh pada
a. Uji triaksial consolidated undrained
b. Uji triaksial unconsolidated undrained
a. Uji triaksial consolidated undrained
Uji triaksial CU (consolidated undrained) digunkan untuk menentukan kuat
geser lempung pada kondisi tak terdrainase (undrained), yaitu bila lempung angka
porinya (e) telah berubah dari kondisi asli di lapangan oleh akibat konsolidasi.
Dalam uji consolidated undrained, mula-mula benda uji diberikan tekanan sel
supaya berkonsolidasi dengan drainase penuh diberikan. Setelah kelebihan tekanan air
pori uc yang disebabkan oleh bekerjanya tekanan sel (s3) nol, tegangan deviator (Ds)
dikerjakan sampai menghasilkan keruntuhan benda uji. Selama pembebanan, saluran drainase ditutup. Karena drainase tertutup, tekanan air pori (tekanan air pori akibat tegangan deviator sewaktu drainase telah ditutup = ud) dalam benda uji bertambah.
Pengukuran serempak tegangan deviator Ds = s1 - s3 dan ud dilakukan saat pengujian.
b. Uji triaksial unconsolidated undrained
Uji triaksial dengan cara unconsolidated undrained, atau triaksial UU (tak
terkonsolidasi-tak terdrainase), digunakan untuk menentukan kuat geser tanah lempung pada kondisi aslinya (di dalam tanah), dimana angka pori benda uji pada permulaan pengujian tidak berubah dari nilai aslinya di dalam tanah. Akan tetapi dalam praktik, pada pengambilan contoh benda uji, akan terjadi sedikit tambahan angka pori. Ada bukti bahwa kuat geser lempung kondisi undrained di lapangan adalah tidak isotropis
(anisotropis), yaitu kuat gesernya tergantung dari arah tegangan utama mayor (s1) relatif
bekerjanya tekanan sel. Sebab, untuk tanah jenuh pada kondisi tanpa drainase, sembarang tambahan tekanan sel menghasilkan tambahan tekanan air pori. Jika seluruh benda uji dari tanah yang sama, sejumlah uji unconsolidated undrained, dilakukan
dengan tekanan sel yang berbeda, akan menghasilkan nilai-nilai tegangan deviator (s1 -
s3) yang sama, pada saat runtuh.
Uji unconsolidated undrained dan uji drained dari bagian pengujian consolidated
undrained (tahap pengujian setelah konsolidasi penuh diizinkan dengan jalan penerapan
tekanan sel) dikerjakan dengan cepat, dan dapat pula dilakukan pengukuran tekanan air pori. Biasanya keruntuhan dihasilkan dalam periode 5 – 15 menit. Tiap pengujian dilaksanakan sampai tercapai nilai tegangan deviator maksimum atau regangan telah melampaui regangan aksial (axial strain) sampai sebesar 20%.
Seperti telah disebutkan, dalam uji unconsolidated undrained, drainase tidak
diijinkan selama proses pengujian. Pertama, tekanan sel (s3) diterapkan, setelah itu
tegangan deviator (Ds) dikerjakan sampai contoh tanah runtuh. Dalam pengujian ini:
Tegangan utama mayor total = s3 + Dsf = s1
Tegangan utama minor total = s3
Bila tanah jenuh, uji unconsolidated undrained, akan menghasilkan tegangan
deviator pada saat keruntuhan (Dsf) yang praktis sama, seolah-olah mengabaikan
tekanan sel s3. Sehingga bentuk selubung kegagalan tegangan total adalah berupa garis
horizontal atau f = 0 (Gambar 2.8). Persamaan kuat geser pada kondisi undrained dapat
dinyatakan dalam persamaan:
su = cu =
2
3
1 s
s
Dengan Dsf = s1 - s3, dan cu atau sering juga ditulis su adalah kohesi lempung pada
kondisi unconsolidated undrained. Nilai kuat geser yang dihasilkan biasanya disebut
kuat geser undrained (cu). Sehingga persamaan (2.21) sering ditulis dalam bentuk:
su = cu =
2
f
s
D
... (2.3)
dengan Dsf = s1 - s3 = tegangan deviator pada kondisi unconsolidated undrained.
Dalam pengujian triaksial UU ini, walaupun pengujian dilakukan pada tekanan
sel yang berbeda akan menghasilkan Dsf yang sama. Hal tersebut dapat diterangkan
sebagai berikut:
Ditinjau benda uji tanah lempung jenuh A yang pada mulanya dikonsolidasikan
dengan tekanan sel s3, dan kemudian dibebani sampai runtuh pada kondisi undrained.
Hasil yang diperoleh adalah lingkaran Mohr untuk tegangan total adalah lingkaran 1 dan untuk tegangan efektif, lingkaran 2 (Gambar 2.9), dimana lingkaran 2 menyinggung
garis selubung kegagalan tegangan efektif. Benda uji B dari jenis tanah yang sama,
dikonsolidasikan dengan tekanan sel s3 dengan tambahan tegangan keliling Ds3 yang
juga tanpa adanya drainase, tekanan air pori akan bertambah dengan Duc. Karena Duc =
BDs3, (B adalah parameter tekanan air pori) dimana untuk tanah jenuh B = 1, benda uji
A dan B akan runtuh pada tegangan deviator yang sama, yaitu Dsf. Lingkaran Mohr
benda uji B dalam tinjauan tegangan total pada saat runtuh, diberikan oleh lingkaran
s Gambar 2.8 Uji triaksial UU (unconsolidated undrained) pada tanah lempung jenuh
(Das, 1987)
Gambar 2.9Kuat geser undrained (Das, 1987)
Pada benda uji B, saat runtuh:
besarnya s3 adalah s3 +Ds3
besarnya s1 adalah s3 +Ds3 + Dsf
Tegangan efektif benda uji B, s1’ = (s3 +Ds3 + Dsf) – (Duc + AfDsf)
Karena tanah jenuh, maka Ds3 = Duc. Persamaaan tegangan efektif menjadi:
s1’ = (s3 + Dsf) – AfDsf
= s1 – AfDsf
s3’ = (s3 + Dsf) – (Duc + AfDsf)
= s1 – AfDsf
= s3’ (sama dengan s3’ benda uji A)
Jadi, tegangan-tegangan utama yang diperoleh akan sama dengan tegangan-tegangan utama pada benda uji A, atau lingkaran Mohr tegangan efektif pada benda uji B akan sama dengan lingkaran Mohr tegangan efektif pada benda uji A, yaitu lingkaran nomor 2. Dengan demikian, sembarang s3 yang dibebankan pada benda uji B akan memberikan
tegangan deviator (Dsf)yang sama.
Pada jenis lempung retak-retak, garis selubung kegagalan pada s3 yang rendah
akan berupa lengkung (Gambar 2.8). Hal ini terjadi karena pada tegangan s3 rendah
tersebut celah masih membuka, yang berakibat nilai kuat gesernya lebih rendah. Hanya, jika tegangan keliling s3 cukup besaruntuk menutup celahnya kembali, kuat gesernya
menjadi konstan.
Persamaan kuat geser sering dituliskan dalam bentruk persamaan: s = c + s tg f. Karena pada kondisi undrained untuk lempung jenuh fu = 0, sehingga nilai s tg f = 0.
Pada kondisi ini, kuat geser udrained dituliskan sebagai su = cu (kohesi undrained).
2.4.2 Kuat Geser Tanah Berdasarkan Uji Kuat Tekan Bebas (Unconfined Compression Test)
Uji tekan bebas termasuk hal yang khusus dari uji triaksial
unconsolidated-undrained, UU (tak terkonsolidasi-tak terdrainase). Gambar skematik dari prinsip
Bila maksud pengujian adalah untuk menentukan parameter kuat geser tanah, pengujian ini hanya cocok untuk jenis tanah lempung jenuh, dimana pada pembebanan cepat, air tidak sempat mengalir ke luar dari benda uji. Pada lempung jenuh, tekanan air pori dalam benda uji pada awal pengujian negatif (tegangan kapiler).
s1
s1
s = 03
s = 03 Contohtanah
Gambar 2.10 Skema uji tekan bebas (Christady, 2006)
Tegangan aksial yang diterapkan di atas benda uji berangsur-angsur ditambah sampai benda uji mengalami keruntuhan. Pada saat keruntuhannya, karena σ3 = 0, maka:
σ1 = σ3 + Dσf = Dσf = qu ... (2.4)
dengan qu adalah kuat tekan bebas (unconfined compression strength). Secara teoritis,
nilai Dσf pada lempung jenuh seharusnya sama seperti yang diperoleh dari pengujian-pengujian triaksial unconsolidated-undrained dengan benda uji yang sama. Sehingga diperoleh:
su = cu =
2
u q
………..……… (2.5)
dimana su atau cu adalah kuat geser undrained dari tanahnya. Hubungan konsistensi
Hasil uji tekan bebas biasanya tidak begitu meyakinkan bila digunakan untuk menentukan nilai parameter kuat geser tanah tak jenuh.
Tabel 2.7 Hubungan kuat tekan bebas (qu) tanah lempung dengan konsistensinya
(Christady, 2006)
Konsistensi qu (kN/m2)
Lempung keras Lempung sangat kaku Lempung kaku Lempung sedang Lempung lunak Lempung sangat lunak
> 400 200 – 400 100 – 200 50 – 100
25 – 50 < 25
Dalam praktek, untuk mengusahakan agar kuat geser undrained yang diperoleh
dari hasil uji tekan bebas mendekati sama dengan hasil uji triaksial pada kondisi keruntuhan, beberapa hal yang harus dipenuhi, antara lain (Holtz dan Kovacs, 1981): (1) Benda uji harus 100% jenuh, kalau tidak, akan terjadi desakan udara di dalam ruang
pori yang menyebabkan angka pori (e) berkurang sehingga kekuatan benda uji bertambah.
(2) Benda uji tidak boleh mengandung retakan atau kerusakan yang lain. Dengan kata
lain benda uji harus utuh dan merupakan lempung homogen. Dalam praktek, sangat jarang lempung overconsolidated dalam keadaan utuh, dan bahkan sering terjadi
pula lempung normally consolidated mempunyai retakan-retakan.
(3) Tanah harus terdiri dari butiran sangat halus. Tekanan kekang efektif (effective
confining pressure) awal adalah tekanan kapiler residu yang merupakan fungsi dari
tekanan pori residu (-ur). Hal ini berarti bahwa penentuan kuat geser tanah dari uji
