TANAH dan KOMPOSISINYA
1. PENGANTAR
GEOTEKNIK adalah bidang ilmu yang mempelajari dan mengembangkan aplikasi teknologi rekayasa sipil yang bersifat kebumian.
geo – bumi, technical – teknologi teknik sipil.
Geoteknik memusatkan analsisnya pada obyeknya seperti material alam yang berada pada permukaan atau di bawah permukaan bumi. Material ini adalah tanah dan batuan.
TANAH: material alam yang tidak tersementasi, atau lemah tersementasi, mengandung deposit mineral, organic, dan partikel batuan yang merupakan hasil dari pelapukan batuan.
BATUAN: material alam yang merupakan agglomerasi mineral yang tersementasi. Perbedaan antara defenisi batuan dan tanah kadang tidak terlalu jelas karena beberapa material bisa digolongkan sebagai batuan sangat lunak atau tanah sangat keras.
MEKANIKA TANAH: Cabang geoteknik yang fokus pada prilaku mekanik dan properti tanah. MEKANIKA BATUAN: Cabang geoteknik yang fokus pada perilaku mekanika dan properti batuan.
Geoteknik dapat dibagi kedalam beberapa disiplin ilmu, seperti:
Pondasi: Desain dan konstruksi pondasi untuk teknik sipil dan struktur lainnya misalnya pondasi rakit, pondasi jalur, dan pondasi tiang.
Struktur Penahan Tanah:desain dan konstruksi dinding penahan tanah, bendungan urugan tanah
Perkerasan dan Pekerjaan Tanah: desain dan konstruksi jalan dan perkerasan, timbunan dan galian, dan pekerjaan lereng.
Penyelidikan Tanah: pemeriksaan dan penyelidikan tanah untuk aplikasi ketekniksipilan.
1.1Sejarah Perkembangan Geoteknik
Sejak perkembangan peradaban manusia, material geoteknik (tanah dan batuan) untuk keperluan konstruksi. Penduduk Mesir Kuno, Babylonia, Cina dan India membangun waduk, saluran air
dari tanah yang terdapat di dataran sungai. Candi dan bangunan monument lainnya dibangun dengan memanfaatkan tanah dan batuan dengan teknik yang sangat maju pada zamannya. Orang Aztek membangun kuil dan kota pada tanah lunak di Lembah Mexico. Pada zaman pertengahan, orang Eropa menemui banyak kendala dengan tanah lunak yang labil di bawah katedral dan gedung megah lainnya , seperti pada Menara Pisa. Orang-orang Skandinavia menggunakan balok kayu untuk mendukung rumah dan struktur dermaga pada tanah lunak. Hingga pada pertengahan 1700-an, desain struktur kuno ini masih berdasarkan intuisi, pengalaman dan kebiasaan yang ada.
1700-an, Coulomb mengembangkan teori tekanan tanah pada dinding penahan tanah.
1800-an, Collin, D’Arcy dan Rankine menemukan teori-teori baru mekanika tanah.
1911 Atterberg memperkenalkan metode klasifikasi untuk tanah lempung.
1914-1922 Komisi Geoteknik Dinas Kereta Api Swedia mengembangkan konsep penting dan alat-alat pengujian tanah.
1925 Karl Terzaghi, yang digelari oleh Bapak Mekanika Tanah, menerbitkan buku Mekanika Tanah yang pertama. Selama hidupnya, Terzaghi mengembangkan banyak teori dan teknik penting terutama konsep tegangan efektif tanah, konsep fundamental material geoteknik.
1930-sekarang Pengembangan teknik dan analisis terbaru termasuk teknik, alat, dan prosedur pengujian tanah.
3. PROSES PEMBENTUKAN TANAH
Tanah digolongkan sebagai sediment, residua atau bahkan timbunan tergantung formasinya. TANAH SEDIMEN: tanah yang dibentuk melalui deposisi sedimen yang merupakan hasil pelapukan dan erosi batuan. Sedimen dapat terbawa oleh lima pembawa:
Air – Sungai, laut atau arus pasang es – glasier;
udara – angin;
gravitasi – guguran tanah atau jatuhan tanah akibat aktivitas organism.
TANAH RESIDU: tanah yang dibentuk oleh pelapukan batuan dengan sedikit atau tanpa perpindahan partikel tanah.
3.1 Pelapukan
Pelapukan adalah penguraian batuan yang disebabkan oleh pengaruh pelapukan secara kimiawi dan pelapukan mekanis.
Pelapukan Kimiawi: proses utama yang menyebabkan erosi pada batuan dan proses ini disebabkan oleh air yang bereaksi dengan mineral batuan sehingga mineral tersebut terdekomposisi dan melarut. Contohnya adalah batuan gamping dengan mineral calcite.
Pelapukan Mekanis: atau fragmentasi merupakan penguraian batuan yang dipengaruhi oleh erosi akibat aliran air, angin, dan gliasier serta aktivitas organisme.
Secara umum, partikel tanah lanau, pasir dan kerikil terbentuk oleh pelapukan mekanis batuan pada permukaan bumi dan partikel tanah lempung terbentuk oleh pelapukan kimiawi batuan. Formasi tanah dipengaruhi oleh material asal– jenis dan komposisi mineral batuan; iklim –
temperature, curah hujan, kelembaban dan penguapan; topografi – apakah lokasi datar atau
berkontur yang mempengaruhi drainase, organisme – efek mikroskopik bakteri hingga mamalita,
utamanya manusia,; dan waktu – perubahan iklim dan organisme dengan waktu.
4. KERAGAMAN TANAH DAN BATUAN
Material geoteknik sangat beragam dari satu lokasi ke lokasi lain. Hal ini disebabkan oleh proses pembentukan formasinya. Oleh sebab itu, geoteknik sangat empiric dan lebih merupakan ilmu empiric dibandingkan cabang Teknik Sipil lainnya. Material lain seperti baja dan beton umumnya homogen isotropik dimana prinsip hubungan tegangan-regangan dapat berlaku. Sebaliknya tanah biasanya heterogen dan memilik keragaman bahkan dalam jarak beberapa millimeter. . Tanah umumnya anisotropik dimana propertinya tidaklah sama dalam segala arah (Gambar 1.1).
Gambar 1.1. Anisotropik Tanah.
Perilaku tanah dan batuan juga ditentukan oleh sambungan, retakan, lapisan dan zona lunak. Perkembangan pengujian laboratorium belum dapat menguji hal ini. Olehnya itu, geoteknik membutuhkan pengalaman praktek dan judgment yang baik.
5. KOMPOSISI TAHAN
Tanah dapat dibagi dalam dua kategori utama: butiran kasar dan butiran halus.
5.1 Tanah Berbutir Kasar
Tanah berbutir kasar adalah tanah yang lebih dari 50% partikelnya di atas 0.076 mm. Tanah ini termasuk kerikil dan pasir. Komposisi tanah butiran kasar terdiri dari fragmen batu dan mineral yang menggambarkan:
(1) material induk tanah dan batuan. (2) proses transportasi dan penyaringan.
Mineral utama pada tanah butiran kasar termasuk :
Kuarsa (silika) – butiran padat, berwarna putih susu hingga bening,
mika – butiran bercahaya, dan pelat datar kalist, batu gamping atau pecahan kerang,
feldspars – butiran warna pink atau putih mineral berat berwarna gelap.
Perilaku dari tanah berbutir kasar dipengaruhi oleh bentuk, ukuran, kepadatan relatif, distribusi partikelnya, dan kadang oleh komposisi mineralnya.
5.2 Tanah Berbutir Halus
Tanah berbutir halus adalah tanah dimana lebih 50% partikelnya lebih kecil dari 0.076 mm. Contoh tanah ini adalah lanau dan lempung. Berbeda dengan tanah berbutir kasar, perilaku tanah ini sangat dipengaruhi oleh mineral pada massa tanah dan kandungan air didalamnya.
6. MINERAL LEMPUNG
Mineral lempung terdiri dari dua blok struktur utama: unit silikat tetrahedral, dan aluminium atau unit magnesium octahedral.
Gambar 1.2. Unit Magnesium atau Alumunium Oktahedral.
Unit ini membentuk lembaran pelat datar dari partikel lempung. Lembaran tetrahedral merupakan kombinasi unit silica tetrahedral yang terdiri dari empat atom oksigen pada sudut-sudutnya mengelilingi satu atom silica.
Sebaliknya, lembaran octahedral merupakan kombinasi unit octahedral terdiri dari enam atom oksigen atau dengan aluminium, magnesium, besi, atau atom yang lain.
Seluruh mineral lempung terdiri dari dua lembaran yang berdiam pada dua konfigurasi dengan kation hadir pada baik lembaran tetrahedral maupun octahedral.
6.1 Ikatan Antar Unit
Gaya yang bekerja antar lembaran lebih lemah dari gaya perekat utama ionic dan kovalen. Gaya antar lembaran merupakan perekat utama antara partikel cair dan padat. Ada dua jenis perekat kedua. Secara mendasar, ada dua jenis perekat:
Ikatan hydrogen adalah ikatan dikarenakan gaya yang menarik secara berlawanan dipole. Contohnya hidrogen sebagai positif dan oksigen sebagai negatif. Ikatan hydrogen lebih kuat dari ikatan lainnya dan ini menentukan karakteristik menieral dan interaksi antara tanah dan air.
Ikatan van der Waals serupa dengan ikatan hidrogen tapi disebutkan gaya tarik dipole yang timbul dari ketidakseimbangan electron pada atom. Ikatan hydrogen lebih kuat tapi namun efeknya lebih menurun sehubungan jarak jika dibandingkan dengan ikatan van der Waals bond.
6.2 Kaolinite - Al2Si2O5(OH)4
Kristal kaolinite terdapat pada lapisan-lapisan dimana tiap lapisan terdiri dari lembaran silica-tetrahedral sheet dan alumina-octahedral, membagi lapisan atom diantara mereka.
Gambar 1.3. Struktur Atom Kaolinite
Lapisan dasar diikat oleh atom hydrogen antara hidroxils pada lembaran octahedral dan oksigen pada lembaran tetrahedral. Oleh karena ikatan hydrogen sangat kuat, ini mencegah hdirasi dan membuat lapisan ini membentuk Kristal. Kirstal kaolinite terdiri dari 70 – 100 lembar dengan 0.05 _m. Kaolinite merupakan hasil pelapukan dari batuan beku dan metamorf dimana feldspar mengalami perubah karena pelapukannya terjadi pada iklim yang basah dan kondisi pada iklim yang basah dan kondisi dranase yang baik. Kaolinite adalah mineral utamaa pada lempung residua lempung yang terbawa. Tanah dengan kandungan kaolinite yang besar biasanya non-expansive, tidak susut karena pengurangan air atau tidak kembang dengan penambahan kandungan air dan biasanya dipakai pada industry keramik dan tembikar.
6.3 Montmorillonite (Al,Mg,Fe3+)2(Si,Al)4O10(OH)2[Ca,Na,K]
Montmorillonite, atau dikenal dengan nama smectite, terdiri dari tiga lapis lembaran (dua silica-tetrahedral units dan satu unit alumina-octahedral, dijelaskan pada Gambar 1.4. Ikatan antara lapisan adalah ikatan van der Waals yang lemah dan akibatnya air gampang masuk dimana terjadi kekurangan muatan negatif pada lembaran octahedral sheet. Hal ini menyebabkan pengembangan lempung hingga beberapa kali dari volumenya. Ketika lapisan-lapisan ini dipisah oleh molekul air, ia menjadi partikel terpisah yang terdiri dari 1 – 5 lapis.
Gambar 1.4. Struktur Atom Montmorillonite
Montmorillonites terdapat pada sedimen pada daerah kering dan dibentuk karena pelapukan batuan beku dan debu vulkanik pada kondisi drainase yang minim. Bentonite adalah lempung dengan kandungan montmorillonite yang tinggi. Montmorillonite sangat ekspansif dan tekanan kembangnya sangat merusak bangunan dan perkerasan jalan.
Struktur Kristal illite sama dengan montmorillonite namun lapisannya diikkat oleh ion potassium dengan ikatan lemah lihat Gambar 1.5. Tanah Illite terbentuk karena pelapukan batuan beku yang asam dan batuan metamor pada kondisi dingin dan basah. Illites relative stabil.
Gambar 1.5. Struktur Atom Illite
6.5 Mineral Lempung, Air dan Ekspansi
Tanah ekspansif dapat mengembang karena kadar bertambah dan dapat menyusut karena kadar air berkurang. Ekspansif, atau reaktif, tanah ini menjadi salah satu permasalahan pada pembangunan infrastruktur pada lahan tanah lunak di berbagai daerah di Indonesia. Kembang-susut tanah ekspasif dipengaruhi oleh lapisan yang mengabsorpsi air dan ukuran mineral pada lempung. Air ditarik oleh permukaan mineral lempung dengan tiga ikatan yaitu ikatan hydrogen, ikatan van der Waals dan muatan negatif permukaan lempung kation air.
Gambar 1.6. Ukuran Mineral pada Lempung Gambar 1.7. Ukuran lapis pengabsorpsi air
Gambar 1.7 menunjukkan kristal montmorillonite dan kaolinite dengan lapis pengabsorpsi air . Ketebalan lapisan air sama namun rasio partikel lempung terhadap ketebalan lapisan air lebih besar pada kristal montmorillonite dibandingkan Kristal kaolinite. Fenomena ini sangat mempengaruhi perilaku dan ekspansifitas dari mineral lempung. Oleh sebab itu, montmorillonite lebih ekspansif dari illite dan kaolinite.
7. STRUKTUR TANA
Struktur tanah adalah orientasi dan distribusi partikel pada massa tanah, dikenal dengan sebutan fabric, gaya-gaya antara partikel. Dua struktur tanah (Gambar 1.7) merupakan struktur flocculan dan struktur ter-dispersed . Pada struktur flocculated, partikel tanah dari edge-to-face adan saling menarik satu sama lain. Sedangkan, struktur ter-dispersed partikelnya edge-to-edge dan face-to-face, cenderung saling tolak satu sama lain.
Gambar 1.9. Struktur tanah deposit tidak terganggu (a), dibentuk kembali (b)
Ketika tanah tidak terganggu, kondisinya sama dengan kondisi lapangan. Gambar 1.9 menunjukkan struktur tanah tidak terganggu dan tanah dibentuk kembali yang mana strukturnya sudah berubah.
Daftar Pustaka
Craig, R. F. (1997). Soil Mechanics, 6th ed., Chapman and Hall, 485p.
Holtz, R. D. and Kovacs, W. D. (1981). An Introduction to Geotechnical Engineering, Prentice Hall, New Jersey, 733p.
Lambe, T. W. and Whitman, R. V. (1979). Soil Mechanics, S.I. Version, Wiley, New York, 553p.
Mitchell, J. K. (1976). Fundamentals of Soil Behaviour, John Wiley and Sons, New York, 422 p.
Press, F. and Siever, R. (1974). Earth, W. H. Freeman and Co., San Fransisco, 945p.
