Potensi Permasalahan Konstruksi Terowongan (Tunnel)
PadaTanah Liat Ekspansif Surabaya Barat
Tanah liat ekspansif termasuk material berbutir halus yang banyak menimbulkan masalah bagi bangunan-bangunan teknik sipil, khususnya bagi struktur bawah. Penelitian mengungkap lebih dari 60% tanah bawah di Indonesia merupakan jenis tanah laterit (tanah dengan indeks plastisitas >30%) yang mempunyai sifat kembang susut yang besar, dimana daerah Surabaya barat termasuk salah satu lokasi yang tanah bawahnya rentan terhadap peristiwa kembang susut (swell-shrinkage). Semakin tinggi indeks plastisitas tanah liat ekspansif, semakin tinggi pula potensi pengembangannya. Menyadari hal tersebut, potensi dan efek kembang susut tanah perlu dipertimbangkan dengan seksama untuk menghindarkan kerusakan struktur bangunan yang terletak diatas ataupun didalam tanah. Untuk memberikan pemahaman lebih lanjut, berikut ini disajikan ulasan singkat mengenai tanah liat ekspansif a.l. sbb. :
A. Investigasi & Survey
Untuk mengidentifikasi sifat ekspansif/ kembang susut tanah liat, investigasi tanah yang dilaksanakan harus mencukupi baik dari segi kualitas maupun kuantitas. Survey terhadap lingkungan sekitar juga diperlukan untuk mengetahui faktor2 apa saja yang dapat menyebabkan perubahan/ fluktuasi kadar air tanah ekspansif pada lokasi setempat. Nelson & Miller (1992) mengemukakan 3 fase utama dalam investigasi lapangan, a.l. sbb. :
1) Reconnaissance survey adalah tahap awal, a.l. pengumpulan peta, foto medan, foto udara, data/ pengalaman2 setempat sehubungan dengan permasalahan kembang susut tanah liat setempat.
2) Preliminary investigation bertujuan untuk melakukan konfirmasi lebih lanjut apakah tanah bawah lokasi ybs. bersifat kembang susut. Investigasi meliputi pengambilan sampel tanah, test laboratorium, dan analisis awal yang selanjutnya dapat dipakai untuk mengidentifikasi karakteristik dan klasifikasi contoh2 tanah tsb. Investigasi lebih lanjut dapat dilakukan, jika preliminary investigation mengungkapkan potensi kembang susut contoh2 tanah tsb.
3) Detailed investigation meliputi penentuan properties/ parameter tanah dan perkiraan besar kembang-susut (swelling potential, %). Pada tahap ini, pengujian perlu
Copyright 2016
By: testana engineering Date:03/22/16 3dilakukan pada sampel tanah dengan tingkat ketergangguan (disturbance) yang minim. Pengambilan sampel tanah tak terganggu harus dilakukan dengan hati-hati dan dilakukan oleh teknisi handal yang berpengalaman.
Gambar 1. Skema investigasi lapangan (Nelson & Miller, 1992).
B. Interaksi Fisika Kimia Dan Kandungan Mineralogi
Nelson & Miller (1992) mengungkapkan pula beberapa faktor yang mempengaruhi sifat dan besarnya tekanan pengembangan, dimana interaksi fisika kimia antar butiran dan kandungan mineralogi merupakan faktor2 berpengaruh seperti diuraikan Gambar 2, sbb. :
Gambar 2. Mekanisme diffuse double layer (Budhu, 2000).
Copyright 2016
By: testana engineering Date:03/22/16 3Pada skala mikroskopis, tanah lempung umumnya memiliki bentuk pipih, permukaan mineral lempung didominasi oleh keberadaan ion negatif (anion) yang akan cenderung menarik ion positif (kation). Fenomena tersebut selanjutnya dikenal dengan teori diffuse
double layer (DDL). Kandungan mineral juga memegang peranan penting terhadap sifat dan
potensi kembang susut, dimana mineral yang umumnya ditemukan pada tanah lempung adalah kaolinite, illite dan montmorillonite. Struktur lapisan dari ketiga mineral tersebut kedapatan cukup berbeda seperti diilustrasikan Gambar 3 sbb. :
Gambar 3. Struktur lapisan kaolinite, illite, dan montmorillonite (Budhu, 2000).
Nampak bahwa mineral montmorillonite memiliki layer pengikat yang lemah dan mudah terisi air, sehingga lempung dengan kandungan montmorillonite dan tingkat konsentrasi anion yang tinggi akan memiliki kemampuan menyerap air yang tinggi pula, yang selanjutnya menyebabkan tanah lempung mengalami perubahan volume yang cukup besar. Air yang terabsorbsi tsb. selanjutnya mengisi celah/ pori diantara butiran2 lempung (lihat Gambar 4) dan menyebabkan tanah mengembang ke arah atas. Sedangkan illite dan kaolinite tidak bersifat aktif, namun dapat menyebabkan perubahan volume jika ukuran partikel kedapatan sangat halus.
Gambar 4. Kondisi butiran lempung pada saat menyerap air (Yong, 2001).
Copyright 2016
By: testana engineering Date:03/22/16 3C. Zona Aktif
Victorine, et. al. (1997) menyatakan bahwa perubahan volume tanah ekspansif jarang terjadi di elevasi tanah yang cukup dalam., perubahan volume hanya terjadi di kedalaman2 permukaan tanah akibat perubahan kadar air. Suatu zona yang mengalami fluktuasi kadar air tanah yang umumnya terjadi akibat perubahan iklim/ cuaca (hujan & kemarau) selanjutnya didefinisikan sebagai zona aktif. Area Surabaya Barat diperkirakan memiliki kedalaman zona aktif yang berkisar antara 5-8 m. Gambar 4 menunjukkan profil kadar air yang berada pada zona aktif dengan berbagai macam kondisi iklim dan pengaruh adanya pavement
dipermukaan tanah pada profil kadar air.
Gambar 4. Profil kadar air tanah pada zona aktif (Ning Lu & Likos, 2004).
Selain faktor perubahan iklim, kondisi kadar air di permukaan lapisan tanah akan berubah jika dilakukan pembangunan struktur yang bersifat menahan kadar air (moisture barrier) seperti lantai atau pavement. Keberadaan moisture barrier ini akan meniadakan
evapotranspiration (penguapan) air yang selanjutnya memberikan pengaruh terhadap nilai kadar air dan menyebabkan pendangkalan zona aktif. Perubahan kondisi kadar air lainnya dapat diakibatkan oleh adanya sistem drainasi. Tersedianya sistem drainasi yang memadai tentunya akan mengurangi resiko terjadinya perubahan kadar air yang signifikan, sehingga potensi kembang susut juga dapat direduksi.
Copyright 2016
By: testana engineering Date:03/22/16 3D. Potensi Permasalahan Tanah Ekspansif Pada Struktur Bawah Tanah
Jika nantinya direncanakan konstruksi bangunan ataupun pembangunan struktur bawah tanah di area Surabaya Barat, kondisi yang membuat tanah ekspansif mengalami kontak dengan air perlu dihindarkan. Disamping memberikan tekanan pengembangan ke arah atas, akibat adanya pembasahan oleh air, tanah ekspansif juga akan mengalami penurunan kuat gesernya (pelunakan, softening). Sebaliknya, pada saat terjadi penurunan kadar air akibat penguapan, tanah ekspansif akan mengalami penyusutan/ pemampatan tanah yang tentunya berpotensi menyebabkan kerusakan struktur diatas maupun dibawah permukaan tanah. Berikut ini diuraikan beberapa potensi permasalahan yang seringkali timbul pada struktur2 bawah tanah pada tanah ekspansif , a.l. sbb. :
1) Pondasi Tiang (Pile Foundation)
Selain ditujukan untuk menahan gaya aksial tekan akibat pembebanan struktur diatasnya, pondasi tiang sebaiknya didesain pula untuk mampu menahan gaya uplift di kedalaman zona aktif. Tekanan pengembangan dari tanah ekspansif dapat menimbulkan deformasi ke arah atas (heaving) ataupun dorongan lateral terhadap pondasi tiang lain yang telah terinstal sebelumnya. Dampak dari pergerakan tanah tersebut akan berpengaruh terhadap kapasitas dukung tiang seperti digambarkan pada Gambar 5, sbb. :
Gambar 5. Gaya2 pondasi tiang yang mengalami heaving (Haggerty & Peck, 1971).
Dalam kondisi ekstrim, heaving dan pergerakan lateral tanah dapat menyebabkan tegangan tarik dan geser yang berlebihan yang selanjutnya dapat memicu retak/ patahnya
Copyright 2016
By: testana engineering Date:03/22/16 3pondasi tiang, khususnya pada lokasi sambungan antar elemen2 tiang yang tidak dilas dengan baik. Salah satu solusi yang dapat dipakai untuk mereduksi potensi kegagalan pondasi tiang adalah penggunaan friction reducer dalam bentuk bitumen, plastik, ataupun geo-gundle yang membungkus sebagai selimut tiang di zona aktif. Hal tersebut dilakukan dengan tujuan mereduksi gesekan tiang dengan tanah yang secara otomatis mereduksi besar gaya uplift yang dipikul oleh pondasi tiang.
2) Terowongan (Tunnel)
Menyadari perilaku tidak menguntungkan tanah ekspansif pada uraian sebelumnya, pembangunan struktur terowongan sebisa mungkin dihindarkan dari lokasi2 dengan tingkat potensi pengembangan yang tinggi. Namun, bila rute terowongan ternyata harus melewati area2 yang kurang menguntungkan tsb., maka struktur terowongan perlu direncanakan terhadap tekanan pengembangan dan penurunan yang akan diakibatkan oleh perubahan volume tanah ekspansif tsb.
Gambar 6. Contoh skematik konfigurasi terowongan (U.S. Department of Transportation-Federal Highway Administration, 2009).
Beberapa solusi yang dapat dipakai untuk meminimalkan efek swelling pada terowongan adalah merencanakan struktur lining yang kedap air dengan tingkat kekakuan yang tinggi (ketebalan dapat mencapai 60-80 cm) untuk memberikan resistensi yang memadai terhadap tekanan pengembangan tanah ekspansif. Solusi lainnya adalah dengan
Copyright 2016
By: testana engineering Date:03/22/16 3menginstal beton bertulang (plane reinforced concrete) konvensional pada bagian invert
(dasar terowongan yang dipakai sebagai landasan/ track kendaraan, lihat Gambar 6). Tekanan pengembangan akan tereduksi akibat berat sendiri struktur beton bertulang ditambah dengan berat struktur lining yang didesain cukup tebal. Pemasangan instrumentasi (inklinometer, piezometer, extensometer, dll.) untuk keperluan monitoring menjadi hal yang tak dapat dielakkan untuk memantau dan menjamin stabilitas struktur terowongan.
Hal lain yang tak kalah penting untuk dijadikan pertimbangan adalah perencanaan
stand-up time dan penentuan elevasi muka air tanah yang akurat. Jika terowongan dibangun
diatas muka air tanah, stand-up time lebih ditentukan oleh kuat geser tanah dan kuat tarik struktur lining, sedangkan jika kondisi terowongan direncanakan dibawah muka air tanah,
stand-up time lebih ditentukan oleh koefisien permeabilitas tanah, mengingat penetrasi/ kebocoran air ke dalam terowongan akan menimbulkan permasalahan yang pelik.
E. Penutup
Tanah ekspansif merupakan salah satu tanah bermasalah yang mendominasi area Surabaya Barat yang sedang berkembang pesat. Manyadari sifat/ perilaku kembang susut yang merugikan tersebut, perencanaan bangunan2 dan struktur bawah tanah pada lokasi setempat perlu direncanakan dengan baik. Untuk mereduksi besarnya tekanan pengembangan (swelling pressure) dan potensi pengembangan (swelling potential) tanah ekspansif di Surabaya Barat, diperlukan investigasi dan studi kelayakan pada lokasi setempat, akuisisi data2 dengan kualitas dan kuantitas yang mencukupi, perencanaan dan analisis yang komprehensif, dan tindakan2 antisipatif (perbaikan tanah, perkuatan struktur, dll.) yang perlu dilakukan sebelum dan selama proses konstruksi.
Oleh : Yehezkiel A. Sucipto, Foundation Engineer, Testana Engineering, Inc., Surabaya.
