Sumber : materi jurusan Teknik Sipil di Politeknik Negeri Malang.
BAB. I
TANAH DAN BATUAN
1.1. Pendahuluan
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 (berpartikel padat) disertai dengan zat cair dan gas yang mengisi ruang-ruang kosong di antara partikel-partikel padat tersebut.
Dalam ilmu mekanika tanah yang disebut “tanah” ialah semua endapan alam yang berhubungan dengan teknik sipil, kecuali batuan tetap. Batuan tetap menjadi ilmu tersendiri yaitu mekanika batuan (rock mechanics). Endapan alam tersebut mencakup semua bahan, dari tanah lempung (clay) sampai berangkal (boulder).
Tanah berguna sebagai bahan bangunan pada berbagai macam pekerjaan teknik sipil, disamping itu tanah berfungsi juga sebagai pendukung pondasi dari bangunan. Jadi seorang ahli teknik sipil harus juga mempelajari sifat-sifat dasar dari tanah, seperti asal usulnya, penyebaran ukuran butiran, kemampuan mengalirkan air, sifat pemampatan bila dibebani (compressibility), kekuatan geser, kapasitas daya dukung terhadap beban dan lain-lain.
Jadi Mekanika Tanah (Soil Mechanics) adalah cabang dari ilmu pengetahuan yang mempelajari sifat fisik dari tanah dan kelakuan massa tanah tersebut bila menerima bermacam-macam gaya. Sedangkan ilmu Rekayasa Tanah (Soil Engineering) merupakan aplikasi dari prinsip-prinsip mekanika tanah dalam problema-problema praktisnya.
Rekayasa Geoteknik (geotechnical engineering), didefinisikan sebagai ilmu pengetahuan dan pelaksanaan dari bagian teknik sipil yang menyangkut material-material alam yang terdapat pada (dan dekat dengan) permukaan bumi. Arti secara umum rekayasa geoteknik juga mengikutsertakan aplikasi dari prinsip-prinsip dasar mekanika tanah dan mekanika batuan dalam masalah-masalah perancangan pondasi.
1.2. Sejarah Perkembangan Mekanika Tanah
Pengetahuan tentang penggunaan tanah sudah ada sejak zaman prasejarah. Manusia pada zaman itu mulai membangun dinding-dinding rumah tempat tinggal dan jalan untuk transportasi yang memakai tanah.
Kemudian pada zaman primitif orang menggunakan tanah sebagai bahan untuk fondasi dan konstruksi lainnya yang tidak dibakar. Pengetahuan tentang tanah sebagai fondasi dan jalan diperoleh dengan cara coba-coba (trial and error).
Baru pada permulaan abab ke-17 sarjana teknik militer Perancis turut menyumbangkan ilmunya dalam mekanika tanah secara empiris dan analitis perihal tekanan tanah pada dinding penahan untuk perencanaan benteng-benteng/kubu-kubu pertahanan. Pada tahun 1715 Perancis mendirikan Departemen Jalan dan Jembatan, dan pada tahun 1747 mulai membuka sekolah jalan dan jembatan yang terkenal di seluruh dunia saat itu, (Ecole desponts et chaussees). Yang terbesar andilnya ialah Charles Augustin Coulomb 1776 yang telah memancangkan tonggak teori tekanan tanah pada zamannya. Selanjutnya ilmu mekanika tanah mulai berkembang dan berkembang hingga kini.
1.3. Siklus Batuan dan Asal Usul Tanah
dikenal dahulu tipe-tipe dasar dari batuan yang membentuk kerak bumi, mineral-mineral yang membentuk batuan dan proses pelapukan. Berdasarkan asal-usulnya, batuan dapat dibagi menjadi 3 (tiga) tipe dasar, yaitu :
Batuan beku (Igneous rocks).
Batuan sedimen (Sedimentary rock).
Batuan metamorf (Metamorphic rocks).
Pada Gambar 1.1 ditunjukkan diagram dari siklus kejadian beberapa jenis batuan tersebut berikut proses kejadiannya. Diagram tersebut disebut siklus batuan, juga diberikan beberapa keterangan singkat untuk tiap-tiap elemen dari siklus batuan tersebut.
Batuan Sedimen
Batuan Metamorf
Batuan Beku
Magma
Sedimentasi
Pengangkutan (transportasi) Erosi, pelapukan Pemadatan
Sementasi Kristalisasi
Mencair Peristiwa Metamorf
1.3.1. Batuan Beku (Igneous rocks)
Batuan beku terbentuk dari membekunya magma cair yang terdesak ke permukaan (dari bagian yang dalam sekali pada mantel bumi). Sesudah tersembul ke permukaan melewati rekahan-rekahan pada kulit bumi (fissure eruption) atau melalui gunung berapi (volcanic eruption), sebagian dari magma cair tersebut mendingin di permukaan bumi dan membatu.
Kadang-kadang magma tersebut berhenti bergerak sebelum sampai ke permukaan bumi dan mendingin di dalam kulit bumi dan membentuk batuan beku dalam plutonic rocks (disebut juga intrusive rocks). Batuan beku dalam yang telah terbentuk tersebut pada suatu saat dapat timbul ke permukaan bumi karena adanya proses erosi yang terus menerus terhadap lapisan batuan dan tanah yang terletak di atas batuan beku dalam tersebut.
Proses pelapukan batuan menjadi tanah dapat dibagi dalam dua bagian, yaitu : proses penghancuran fisik (disintegration) dan proses pelapukan kimiawi (decomposition). Proses penghancuran fisik adalah proses pelapukan tanah akibat dari factor-faktor fisika, misalnya : perubahan temperature secara berkala, pembekuan dan pencairan (air dalam batuan), proses perusakan oleh tanaman, binatang dan/atau es di dalam celah batuan. Proses pelapukan kimiawi terjadi akibat reaksi kimiawi, misalnya : oksidasi, hidrasi, karbonasi, dan efek kimia dari tanaman. Proses pelapukan kimiawi ini dapat dipercepat bila dipengaruhi oleh temperature yang tinggi dan keberadaan zat-zat asam organic. Beberapa factor yang sangat berpengaruh dalam proses pelapukan tanah ini diantaranya adalah : cuaca, topografi, waktu, sejarah geologi dan tipe batuan.
Tabel 1.1 Komposisi mineral-mineral Batuan pada rangkaian Reaksi Bowen.
Orthoclase (kalsium feldspar) K(Alsi3O8)
Muscovite (mika putih) Kal3Si3O10(OH)2
Quartz (kwarsa) SiO2
Sumber : Mekanika Tanah Braja M Das.
1.3.2. Batuan Sedimen (Sedimentary Rock)
Hasil lapukan yang berupa kerikil, pasir, lanau dan lempung dapat menjadi padat karena adanya tekanan lapisan tanah di atasnya dan adanya proses sementasi antar butiran oleh unsure-unsur sementasi seperti besi, kalsit, dolomite dan quartz. Unsur-unsur sementasi tersebut biasanya terbawa dalam larutan air tanah. Unsur-Unsur-unsur tersebut mengisi ruang-ruang di antara butiran dan kemudian membentuk batuan sediment. Batuan yang terbentuk dengan cara ini disebut batuan sediment detrital. Contoh dari
tipe/jenis batuan sedimen detrital adalah : conglomerate, breccia mudstone, shale (claystone). Sedimentary rock ada juga yang dibentuk oleh reaksi kimia, misalnya : limestone, chalk, dolomite, gypsum, dan sebagainya.
Batuan sedimen mungkin juga mengalami pelapukan dan membentuk tanah-tanah sedimen (endapan), atau terkena proses peristiwa metamorf dan berubah menjadi batuan metamorf.
1.3.3. Batuan Metamorf (Metamorphic Rock)
Peristiwa metamorf adalah proses perubahan komposisi dan tekstur dari batuan akibat panas dan tekanan tanpa pernah menjadi cair. Dalam peristiwa metamorf, mineral-mineral baru terbentuk dan butir-butir mineralnya terkena geseran yang kemudian membentuk tekstur batu metamorf yang berlapis-lapis. Granit, diorite dan gabbro berubah menjadi slates dan phyllites pada peristiwa metamorf tingkat rendah.
Schist adalah sejenis batuan metamorf yang mempunyai tekstur berlapis-lapis dan dapat dilihat pula pada teksturnya ada bentuk-bentuk kepingan atau lempengan-lempengan dari mineral mika.
Batu pualam (marmer) terbentuk dari batuan calcite dan dolomite yang mengalami proses kristalisasi ulang. Butiran mineral pada marmer umumnya lebih besar dari pada yang terdapat pada batuan induknya.
Quartzite adalah sejenis batuan metamorf yang terbentuk dari sandstone yang kaya akan mineral quatz. Bahan silika kemudian memasuki pori-pori batuan dan ruang-ruang diantara butiran pasir dan quartz, dan menjadi unsur-unsur sementasi antar butiran. Quartzite merupakan salah satu dari batuan yang sangat keras. Pada tekanan dan panas yang besar sekali, batuan metamorf mungkin mencair menjadi magma dan siklus batuan berulang kembali.
1.4. Partikel Tanah (Soil Particles)
Sebagaimana telah dibahas di bagian depan, ukuran dari partikel tanah adalah sangat beragam dengan variasi yang cukup besar. Tanah umunya dapat disebut sebagai kerikil (gravel), pasir (sand), lanau (silt) atau lempung (clay), tergantung pada ukuran partikel yang paling dominan pada tanah tersebut.
ditunjukkan batasan-batasan ukuran golongan jenis tanah yang telah dikembangkan oleh beberapa organisasi yang ahli di bidangnya.
Tabel 1.2 Batasan-Batasan Ukuran Golongan Tanah. Nama Kelompok
Organisasi
Ukuran Butiran (mm)
Kerikil Pasir Lanau Lempung
Massachusetts Institute of Technology
(MIT) > 2 2 – 0,06 0,06 – 0,002 < 0,002
U.S. Departement of Agriculture
(USDA) > 2 2 – 0,05 0,05 – 0,002 < 0,002
American Association of State Highway
and Transportation Officials (AASHTO) 76,2 - 2 2 –0,075 0,075–0,002 < 0,002 Unified Soil Classification System (U.S.
Army Corps of Engineers, U.S. Bureau of Reclamation)
76,2-4,75 4,75-0,075 (yaitu lanau dan lempung)Halus < 0,0075
Sumber : Mekanika Tanah, Braja M Das
Kerikil (gravels) adalah kepingan-kepingan dari batuan yang kadang-kadang juga mengandung partikel-partikel mineral quartz, feldspar dan mineral-mineral lain, Diameter butiran > 5 mm.
Pasir (sand) sebagian besar terdiri dari mineral quartz dan feldspar. Butiran dari mineral yang lain mungkin juga masih ada pada golongan ini , Diameter butiran 0,0075 – 5,0 mm.
Lanau (silt) sebagian besar merupakan fraksi mikroskopis (berukuran sangat kecil) dari tanah yang terdiri dari butiran-butiran quartz yang sangat halus, dan sejumlah partikel-partikel berbentuk lempengan-lempengan pipih yang merupakan pecahan dari mineral-mineral mika, Diameter butiran 0,002 – 0,0075 mm.
1.4.1 Mineral Lempung (Clay Minerals)
Mineral lempung adalah kristal yang sangat kecil (hanya dapat dilihat dengan bantuan mikroskop elektron) yang berasal dari pelapukan kimiawi dari mineral batuan tertentu adalah kristal alumunium silikat dengan ion-ion logam yang kompleks yang merupakan komposisi 2 lembar kristal dasar yaitu :
1. Silica Tetrahedron. 2. Alumina Octahedron.
Tiap unit tetrahedron terdiri dari 4 atom oksigen mengelilingi sebuah atom silicon. Kombinasi beberapa unit tetrahedron membentuk lembar silica (silica sheet), tiga atom oksigen yang di dasar dipakai bersama oleh tetrahedron yang berdekatan.
Tiap unit octahedron terdiri dari 6 hidroxil yang mengelilingi satu atom aluminium. Kombinasi beberapa unit octahedron aluminium hidroxil membentuk lembar octahedron yang disebut gibbsite, kadang-kadang atom-atom magnesium mengganti aluminium, hal ini disebut lembar brucite.
Mineral Kaolinite, satu lembar kaolinite terdiri dari berlapis-lapis lembar silica dan gibbsite yang tiap lapis silica-gibbsite tebalnya 7,2 . Lembar-lembar tersebut diikat oleh hidrogen. Kaolinite berada dalam bentuk lempengan, yang dimensi lateralnya 1000 – 10000 , tebal 100 – 1000 . Luas permukaannya = 15 m2/gr.
(luas permukaan perunit massa disebut specific surface).
Illite, satu lembar illite terdiri dari sebuah lembar gibbsite yang menyatu dan diapit oleh 2 lembar silica. Kadang-kadang disebut mica lempung (clay mica), tebal 1 lembar 10 , lembar satu dengan yang lainnya diikat oleh ion potasium (natrium). Ada substitusi aluminium untuk silicon pada lembar tetrahedral. Substitusi elemen tanpa mengubah bentuk kristal disebut substitusi isomorphous. Lembar-lembar illite menyatu menyerupai lembar yang mempunyai dimensi lateral 1000 – 5000 dan tebal 50 – 500 . Specific surface = 80 m2/gr.
mempunyai muatan listrik negatif pada permukaannya yang disebabkan oleh adanya substitusi isomorphous dan putusnya kontinyuitas di ujung. Muatan negatifnya lebih besar kalau specific surfacenya lebih besar. Pada lempung kering, muatan listrik negatif diimbangi oleh cation yang bisa berpindah-pindah seperti Ca++, Mg++, Na++, dan K+
diseputar partikel. Kalau air ditambahkan pada lempung, cation tadi beserta sedikit anion mengambang di sekitar partikel lempung. Yang ini disebut diffuse double layer. Konsentrasi cation berkurang kalau jarak dengan partikel bertambah.
1.4.2 Jenis-Jenis Tanah Berdasarkan Proses Pembentukannya.
Lapisan tanah yang terbentuk dapat tetap berada ditempatnya, atau terbawa oleh gletser/sungai es, angina, dan/atau air ke tempat lain untuk kemudian terendapkan ditempat yang lain. Berdasarkan proses yang disebut diatas ini, lapisan tanah dapat dibagi ke dalam empat bagian utama, yaitu : tanah residual (residual soil), tanah endapan air (water transported soil), tanah endapan angin (wind transported soil), tanah endapan sungai es (soil of glacial origin).
Tanah Residual (residual soil)
Tanah yang terbentuk dari proses penghancuran dan pelapukan batuan dasar dan masih berada ditempat asalnya. Di daerah tropis, ketebalan tanah residual yang terbentuk dari batuan beku dapat mencapai ketebalan lebih dari 20 m. Tekstur tanah residual tergantung kepada kondisi lingkungan dimana tanah tersebut terbentuk dan kepada tipe batuan induknya. Granite menghasilkan lanau kepasiran dan pasir kelanauan dengan komposisi mineral mica dan lempung kaolin yang bervariasi Basalt menghasilkan lempung dengan kadar montmorillonite yang tinggi dan bersifat plastis.
Tanah Endapan Air (water transported soil)
Tergantung dari macam air yang mengangkut dan mengendapkannya, tanah endapan air dapat dibagi lagi menjadi tiga golongan, yaitu : tanah alluvium (oleh air sungai), tanah lacustrine (di danau) dan tanah marina (di pantai/air laut).
Tanah alluvium terbentuk ketika air sungai dari pegunungan mencapai dataran rendah. Partikel-partikel kecil yang terapung didalam air sungai terbawa ke daerah hilir relative tanpa mengalami perubahan secara fisik. Partikel-partikel yang lebih besar, seperti pasir, kerikil dan kerakal, diangkut dan berguling di dasar sungai, akibatnya partikel tersebut akan terkikis dan berbentuk bulat.
tersebut. Di daerah yang lembab, ketika danau terisi sediment dan menjadi dangkal, tumbuhan di sekitar tepian danau meningkat. Pembusukan material tumbuh-tumbuhan ini menghasilkan bahan organic yang mengendap bersama dengan lanau dan lempung hingga terbentuk tanah organic. Di tingkat akhir dari proses sedimentasi ini danau dapat dipenuhi dengan tumbuh-tumbuhan dan hanya terjadi pembusukan sebagian dari sisa-sisa tanaman. Akhirnya terbentuklah tanah gambut (peat). Pada tahap ini danau berubah menjadi tanah rawa (marshland).
Tanah Endapan Angin (wind transported soil)
Pergerakan angin melalui daerah bertanah pasir atau lanau yang luas akan membawa partikel-partikel berukuran pasir dan lanau. Partikel-partikel yang lebih besar dari 0,05 mm (pasir) akan berguling atau terangkat ke udara untuk jarak yang relative pendek dan akan tertumpuk membentuk bukit-bukit pasir (sand dunes). Partikel-partikel lanau yang lebih halus akan terbawa ke daerah yang lebih jauh. Angin mensortir butiran-butiran pasir dan mengendapkannya dengan ukuran butir yang relative seragam dan umumnya dalam keadaan lepas (loose condition).
Tanah Endapan Sungai Es (soil of glacial origin)
Penyebaran dari massa es ini mengerosi, mencampur baur, mengangkut dan mengendapkan batuan-batuan lepas dan tanah dengan berbagai cara. Material yang diendapkan langsung oleh es disebut dengan TILL. Tanah jenis ini sangat beragam dalam teksturnya, partikelnya bervariasi dari kerakal (boulder) hingga lempung. Air yang mencair dari lempengan-lempengan es membawa pasir dan kerikil dan mengendapkannya didepan sungai es dan disebut OUTWASH. Bila iar yang mencair itu bermuara diantara dataran tinggi dan sungai es, tercipta suatu danau dimana endapan danau es akan terbentuk. Ketika air mengalir ke dalam danau tersebut, material yang kasar diendapkan dipinggir danau dan membentuk delta-delta pasir dan kerikil.
1.4.3 Tanah-Tanah Khusus
Perilaku tanah sering tergantung dari keberadaan material tanah yang khusus.
Tanah Expansive, adalah tanah yang berpotensi mengalami pengembangan (peningkatan volume) bila tereskpos terhadap air. Clay shales dan tanah lempung dengan kadar montmorillonite yang tinggi merupakan tanah expansive.
bersementasi lemah yang ikatan semennya biasanya gypsum atau halite, mudah larut dalam air. Tanah collapsible ini umumya dijumpai di daerah-daerah yang gersang.
Quick Clay, adalah merupakan lempung yang sangat peka (high sensitivity) terhadap gangguan. Kekuatan geser tanah ini akan berkurang drastis ketika mengalami gangguan. Semua quick clay merupakan lempung marina dengan kadar kepekaan lebih besar dari 15. Kadar kepekaan adalah perbandingan antara kuat geser tanah asli dengan kuat geser tanah terganggu.
