2. LANDASAN TEORI
2.1 Perbaikan Tanah Lempung Dengan Prefabricated Vertical Drain.
Perbaikan tanah merupakan usaha memampatkan tanah supaya tanah menjadi makin padat sehingga membuat tegangan geser makin besar dan dapat memikul beban diatasnya dengan aman. Marine clay akan mengalami kemampatan yang besar dalam waktu yang lama.
Preloading adalah merupakan sebuah metode untuk menghilangkan atau mengurangi penurunan jangka panjang dari suatu lapisan tanah lempung lunak dengan memberikan beban tambahan sementara diatas timbunan rencana. Pra pembebanan yang dipakai diatas lapisan tanah yang diperbaiki berupa pasir urug.
yang diambil dari lepas pantai timur Surabaya. Besarnya pembebanan yang digunakan untuk preloading ini pada umumnya sama atau lebih besar dengan beban rencana. Kegagalan tanah yang dapat terjadi bila diberikan beban yang besar pada waktu yang singkat menyebabkan seringkali pembebanan harus dilakukan secara bertahap. Oleh karena waktu penurunan yang terjadi akan berlangsung lama, maka sistem perbaikan ini dapat dipilih untuk proyek yang tidak dibatasi waktu penyelesaian.
Perbaikan tanah lempung dengan drainase vertikal dan pra pembebanan dapat mempercepat terjadinya penurunan tanah. Awal perbaikan tanah lempung memakai sand drains diperkenalkan oleh Porter O.J. pada tahun 1936 pada proyek di California dengan menggunakan drain berukuran diameter 20", yang dipasang dengan jarak 10 ft. Adanya drainase vertikal akan memperpendek aliran air dalam tanah dan mengurangi tekanan pori yang terjadi akibat adanya pembebanan yang diberikan diatas tanah, sehingga tanah menjadi lebih stabil.
Untuk memudahkan pelaksanaan telah dikembangkan drainase vertikal Fabric Encased Sand Drains (Wick Drains) dimana pasir dimasukkan kedalam
‘kantong’. Prefabricated Vertical Drains (PVD) mulai dpakai pada tahun 1970.
Untuk lapisan tanah lempung lunak yang sangat tebal seperti yang terdapat di kawasan pantai utara Surabaya, pemakaian jenis Prefabricated Vertical Drains pada umumnya sangat efektif.
Prefabricated Vertical Drains terdiri dari dua bagian prefabricated material, bagian luar berupa synthetic filter jacket dipakai non-woven polyester, polypropylene geotextiles atau synthetic paper yang berfungsi untuk masuknya aliran air tanah sekaligus sebagai filter agar butiran tanah yang halus tidak masuk ke dalam drainasi. Bagian kedua berupa plastic core yang berfungsi menahan filter jacket dan mengalirkan air tanah secara vertikal sepanjang drain. Pada penggunaan jenis ini harus dipertimbangkan pengaruhnya terhadap Smear effect, drain resistance, drainage blanket, soil drainage parameter, dan assessment of the drain spacing.
Pada umumnya cara perbaikan tanah dengan drainase vertikal bersamaan dengan dilakukan pekerjaan preloading.
2.2. Metode Pemasangan Prefabricated Vertical Drain.
Gambar 2.1. Pemasangan PVD
PVD harus dipasang dengan mandrel ujung tertutup suatu sepatu dan ditekan masuk kedalam tanah dengan penetrasi statis maupun pemancangan dengan vibrator. Tingkat kerusakan pada tanah tergantung pada bentuk dan dari ukuran mandrel serta sepatu yang dapat dilepaskan pada dasar mandrel untuk memasukkan PVD ke dalam tanah. Ukuran maksimum sepatu adalah 80 cm².
Alat penetrasi atau pemancangan dapat dipakai crane ataupun backhoe.
Untuk memungkinkan alat ini beroperasi, permukaan tanah yang lunak harus
diurug dengan pasir urug setinggi 1-2 m. Lapisan pasir ini akan berfungsi sebagai drainase horisontal. Pasir urug yang dipakai harus mempunyai gradasi yang baik, besar butiran tidak seragam, dan mempunyai permeabilitas pada kisaran 10-6 hingga 10-7 m/detik.
Posisi PVD diberi tanda dengan menancapkan potongan bambu kecil untuk memudahkan dan mempercepat operasi pemancangan. Penyimpangan lokasi pemancangan yang diijinkan sebesar 150 mm. Pemancangan PVD tidak boleh merusak alat instrumentasi yang terpasang.
Material PVD yang sudah terpasang akan dipotong sekitar 100 mm sampai 200 mm diatas permukaan urugan pasir. Alat pancang harus dalam posisi tegak atau tidak boleh terjadi kemiringan melebihi 1 dalam 50. Sambungan PVD dapat diijinkan maksimum satu sambungan tiap pemasangan dengan minimum salipan 150 mm.
Setiap alat harus mencapai kecepatan pemasangan hingga 300 m² per hari dimana PVD dipasang sampai kedalaman 25 – 30 m. Pemasangan dapat mencapai hasil rata-rata 23.000 m PVD per 10 jam per hari.
2.3. Teori Konsolidasi Dengan Drainase Vertikal
Penurunan tanah lempung akibat beban diatas suatu lapisan tanah lunak yang terjadi terdiri dari immediate, primary consolidation, dan secondary consolidation. Besarnya penurunan tergantung banyak faktor, seperti jenis tanah dan derajat kompresibilitas, riwayat tegangan, besar dan kecepatan pembebanan, serta perbandingan luas pembebanan terhadap tebal lapisan lempung lunak yang ada.
Gambar 2.2. Proses Penurunan
Initial settlement, ρi terjadi seketika saat beban (p) diberikan, kemudian disusul oleh proses penurunan konsolidasi ρc . Besar penurunan ρc pada waktu t adalah sebesar ρc = U ρcf dimana U = derajat konsolidasi dimana ρcf = penurunan final. Gambar 2.2. memperlihatkan hubungan antara beban preloading dan penurunan.
Gambar 2.3. Pembebanan Preloading dan Penurunan (Moran and Proctor, 1958)
Beban preloading diberikan sebesar beban rencana atau lebih besar yang akan diberikan diatas tanah lunak tersebut dengan tujuan untuk mempercepat terjadinya penurunan rencana. Beban tambahan sementara yang diberikan diatas beban rencana disebut surcharge. Beban total yang diberikan adalah beban rencana final (PF) ditambah beban surcharge (PS), pengurangan beban surcharge (PS) dilakukan bilamana penurunan akibat adanya beban rencana tercapai (tSR) dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Secondary compression terjadi setelah primary consolidation mencapai 100% di dalam waktu tertentu (tp).
2.3.1. Immediate Settlement
Dalam perhitungan immediate settlement dipakai teori elastis yang dipakai oleh Schleicher (1926):
( )
u d
i E
qB
C 1 µ2
ρ = − ………...… (2.1)
Dimana, Cd = faktor tergantung dari bentuk pembebanan dan kedalaman q = Ɣ ( HPS+PF )
Ɣ = berat volume pasir urug
( HPS+PF ) = tinggi timbunan akibat beban surcharge dan beban final µ = Poisson’s ratio = 0.5
B= lebar timbunan
Eu = modulus elastisitas tanah kondisi undrained
2.3.2. Primary Consolidation
Secara teoritis aliran air tanah akibat suatu beban hanya bergerak kearah vertikal yang dikenal One-dimensional consolidation theory (Terzaghi, 1943).
Namun dalam kenyataan pada tanah terjadi dua aliran yaitu secara vertikal dan radial, sehingga harus memakai teori two-dimensional consolidation. Pemakaian vertical drains akan memperpendek jarak drainasi, sehingga mempercepat waktu
konsolidasi. Hal ini disebabkan air mengalir ke samping dengan jarak yang lebih dekat.
Koefisien konsolidasi dalam arah vertikal dipakai, cv, dapat ditentukan berdasarkan tes konsolidasi atau dari hasil pengamatan di lapangan. Hubungan dari masing-masing derajat konsolidasi ini didapat dari persamaan Carillo (1942):
U = 1 – ( 1 – Uh ) ( 1 – Uv ) ... (2.2)
Dimana: U = derajat konsolidasi tanah
Uh = derajat konsolidasi tanah arah horisontal Uv = derajat konsolidasi tanah arah vertikal
Setelah nilai Uh ditetapkan, maka koefiesien konsolidasi dalam arah horisontal, ch dihitung memakai persamaan Barron (1948) yang sudah disederhanakan oleh Hansbo dan Torstensson (1977):
h
h d U
D t
c D
⎥ −
⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡ ⎟−
⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛
1 ln 1 4 ln 3
8
2
... (2.3)
Dimana: D = jarak vertical drain d = diameter vertical drain t = waktu konsolidasi
Analisa penurunan didapatkan dengan menggunakan data tes konsolidasi yang telah dikoreksi dengan cara Schmertman (1956) dan pengaruh penurunan selama pelaksanaan timbunan dianalisis dengan cara Schiffman (1958).
Evaluasi besarnya penurunan hasil pengamatan di lapangan dapat dipakai untuk menentukan derajat konsolidasi tanah yang terjadi. Apabila konsolidasi telah mercapai, maka timbunan surcharge dapat dihilangkan. Metode Asaoka (1978) dapat dipakai dalam menentukan kapan timbunan perlu ditambah atau dihilangkan.
2.3.3. Secondary Compression
Penurunan secondary compression terjadi saat proses primary consolidation hampir berakhir, dimana excess pore water pressure saat itu dapat dianggap sama dengan nol.
Untuk menghitung secondary compression δs , Taylor (1942) memakai rumus:
p t
a t
H t C
s= log sec
δ ... (2.4)
dimana, Cα = coefficient of secondary compression Ht = tinggi total lapisan tanah lempung
tsec = waktu yang diperlukan untuk secondary compression tp = waktu yang diperlukan untuk proses primary consolidation
Beberapa cara menentukan derajat konsolidasi yang terjadi adalah sebagai berikut:
• Perbandingan penurunan hasil pengamatan dilapangan dan penurunan hasil perhitungan secara teoritis dengan back analysis.
• Hasil pengamatan pembacaan piezometer.
• Hasil pengamatan pambacaan settlement plates.
2.4. Trial Embankment
Untuk mengetahui efektifitas perbaikan tanah, perlu dilaksanakan Trial Embankment di lokasi yang sama dengan lokasi perbaikan tanah yang akan dikerjakan. Trial Embankment dilaksanakan pada 2 kondisi timbunan dimana satu bagian menggunakan Sand Drains dan bagian lain tanpa menggunakan Sand Drains. Pelaksanaan diawali dengan pemasangan Sand Drains, penempatan alat- alat monitoring seperti piezometer, extensometer, settlement plates, dan penyelidikan tanah.
Lapisan tanah di daerah Trial Embankment dari permukaan merupakan lapisan pasir kelanauan atau lanau kepasiran yang berlapis-lapis dengan kepadatan sedang setebal kurang lebih 8-10 m. Dibawah lapisan pasir kelanauan dijumpai lapisan lempung lunak sensitip yang mengandung sisipan lapisan tipis pasir halus dengan ketebalan 10 m yang memliki nilai undrained shear strength sekitar 0.165 kg/cm². Dibawah lapisan lempung lunak terdapat lapisan lempung kaku dengan
nilai undrained shear strength sekitar 0.50 kg/cm² setebal 2 – 4 m. Lapisan pasir berkerikil dijumpai dibawah lapisan lempung kaku pada kedalaman 28.3 m.
Gambar 2.4. Lokasi Trial Embankmant dan Pilot Test
Di daerah kawasan pantai Tanjung Perak bekas tambak berukuran 38.0 m x 69.0 m digunakan sebagai daerah Trial Embankment terbagi atas 2 bagian yaitu Area 1 dan Area 2. Bagian pertama adalah Area 1 berukuran 14 m x 16 m dipasang Sand Drains diameter 100 mm. sedalam 20 m dengan jarak tertentu dan diberi timbunan setinggi 2.6 m. Sedangkan bagian kedua adalah Area 2 berukuran 14 m x 10 m dengan timbunan setinggi 2.7 m tanpa perbaikan apapun.
Gambar 2.4. memperlihatkan lokasi Trial Embankment dan Gambar 2.5.
menunjukkan tata letek kedua Area.
Gambar 2.5. Tata Letak Trial Embankment
Gambar 2.6. Penempatan dan jarak Sand Drains
Penempatan sand drains dengan jarak yang telah ditentukan dan penempatan instrumentasi seperti pneumatic piezometers dan extensometer yang dipasang untuk pengamatan di kedua tempat ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Hasil penelitian Trial Embankment ini yang telah dilakukan oleh Moeljadi dan Setiawan (1992) yang melaporkan bahwa penurunan yang telah terjadi selama 280 hari mendekati dengan hasil estimasi secara teoritis. Derajat konsolidasi dengan perbaikan tanah di Area 1 mencapai 87 % dan di Area 2 mencapai 44 %.
Perhitungan ulang yang dilakukan memberikan koefisien konsolidasi arah vertikal cv sebesar 0.0022 m2/hari, koefisien konsolidasi arah horizontal ch
sebesar 0.0069 m2/hari, dan koefisien secondary compression cα sebesar 0.286.
Stabilitas talud yang dianjurkan agar tidak terjadi kelongsoran saat pelaksanaan reklamasi diatas permukaan tanah asli adalah dengan kemiringan maksimun sebesar 1 : 5. Hasil penelitian yang terlah dilakukan akan dipakai untuk perencanaan perbaikan tanah dengan drainase vertikal.
2.5. Geotechnical Instrumentation and Monitoring
Perbaikan tanah dengan dilengkapi pemasangan alat monitor penurunan tanah seperti Settlement Plates dan Extensometers, serta alat pembacaan tekanan air tanah seperti Pneumatic Piezometers. Untuk mengamati pergerakan secara horizontal dapat dipasang alat Inclinometers dan alat ini ditempatkan pada bagian talud timbunan. Pemasangan alat-alat tersebut dilaksanakan sebelum dikerjakan penimbunan. Gambar 2.7. memperlihatkan lokasi grup instrumentasi.
Gambar 2.7. Lokasi Grup Instrumentasi
2.5.1. Settlement Plates and Extensometers
Settlement plates berukuran 60 cm x 60 cm dipasang diatas permukaan tanah asli sebelum dikerjakan timbunan. Jarak pemasangan masing-masing settlement plates adalah 50 m. Jumlah yang terpasang di daerah lepas pantai (offshore) sebanyak 34 buah, di daerah tambak (onshore), dan di daratan ( land behind shoreline) sebanyak 77 buah.
Extensometers dipasang dalam tanah dengan dilengkapi sebanyak 68 buah spider magnets. Jumlah lokasi pemasangan ada 12 titik dan posisi spider magnet terpasang pada kedalaman yang sama dengan kedalaman terpasangnya pneumatic piezometers.
Pembacaan settlement plates dengan alat waterpass dimulai saat dilakukan penimbunan, sedangkan pembacaan extensometer memakai alat sensor yang menimbulkan bunyi bila berada pada posisi spider magnet. Ketinggian saat pembacaan selalu dibandingkan dengan benchmark level.
2.5.2. Pneumatic Piezometer
Pemasangan pneumatic piezometer dilakukan pada kedalaman tertentu, yaitu pada lapisan lempung dan bebas dari lapisan berpasir. Pemasangan pada lapisan pasir tidak dibenarkan karena tidak akan berfungsi. Untuk mengetahui bagian yang tidak berpasir dapat dilihat dari hasil penyelidikan tanah di lapangan.
Jumlah keseluruhan Mini type HAE Pneumatic Piezometers yang terpasang sebanyak 81 buah.
Pembacaan mulai dilakukan sejak adanya timbunan diatas tanah asli, periode pembacaan dapat dilakukan setiap hari. Hasil pembacaan tersimpan dalam catridge dan dapat dimasukkan kedalam komputer. Secara manual dapat dilakukan pembacaan tiap alat yang terpasang. Hasil pembacaan dapat mengetahui tekanan air pori di tiap lapisan tanah.
Setiap pembacaan pneumatic piezometers diikuti dengan pembacaan muka air tanah, hal ini untuk mengetahui besar excess pore water pressure.
17 2.5.3. Inclinometer
Alat ini dipasang pada timbunan dekat talud, agar dapat diketahui besar perubahan horizontal yang terjadi. Pipa PVC yang beralur khusus untuk alat inclinometer dipasang dengan melakukan pengeboran terlebih dahulu.
Pembacaan dilakukan secara periodik dan hasil pembacaan terekam dalam cartridge yang dapat di down load ke dalam komputer. Ada 9 titik pemasangan yang telah dikerjakan pada tempat di dekat talud timbunan.
