MEKANIKA TANAH
EDISI KEEMPAT-
R.F. CRAIG Department of Civil Engineering University of�-
1989
PENERBIT ERLANOOA
Jl. Kraruat IV No. 11 Jakarta 10430 (Anggota IKAPI)
r-··
Kata Pengantar
Buku ini ditujukan terutama untuk memenuhi kebutuhan mahasiswa Teknik Sipil S-1
dandimaksudkan untuk memberi pengertian yang cukup mendalam akan prinsip-prinsip mekanika tanah. Pemahaman akan prinsip-prinsip ini merupakan dasar penting bagi praktek lebih lanjut dalam rekayasa tanah. Materi yang dipilih mencakup unsur opini pribadi tetapi isi buku ini kiranya telah mencakup persyaratan bagi bahan pelajaran untuk tingkat S-1.
Dalam hal ini dianggap bahwa para mahasiswa tidak memiliki pengetahuan akan subyek yang diberikan tetapi telah memahami dasar-dasar ilmu mekanika. Buku ini berisi sejumlah contoh dan soal beserta penyelesaiannya yang diberikan agar para mahasiswa lebih mema
harni akan prinsip-prinsip dasar dan mampu menggambarkan penerapannya dalam keadaan yang praktis sederhana. Satuan SI digunakan pada seluruh buku ini. Daftar buku acuan dicantumkan pada akhir setiap bab sebagai pertolongan bagi studi lebih lanjut tentang topik yang diberikan. Selain itu buku ini ditujukan juga sebagai sumber acuan yang ber
manfaat bagi para insinyur praktisi.
Dalam edisi ke-4 ini tidak ada perubahan dalam tujuan ataupun struktur isi buku.
Akan tetapi, telah dilakukan beberapa perbaikan dan tambahan. Khususnya bagian tentang analisis dinding turap telah direvisi, beberapa bagian pada bab tentang daya dukung tanah telah diperbaharui, dan bagian baru tentang uji pengukuran-tekanan telah ditambahkan.
Penulis sangat berterima kasih kepada berbagai penerbit, organisasi dan individu yang telah memberi izin digunakannya gambar-gambar dan tabel-tabel dalam buku
ini,dan juga berterima kasih kepada penulis-penulis lain yang hasil karyanya telah digunakan sebagai sumber bagi isi buku ini. Penulis juga menyampaikan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada Dr. Ian Christie dari University of Edinburg atas bantuannya membaca naskah asli buku ini dan memberikan sejumlah saran perbaikan. Terima kasih juga diucapkan kepada Nn. Evelyn Clark dan Ny. Sandra Nicoll atas bantuan mereka mengetik naskah buku ini.
Materi dari BS 8004: 1986 (Peraturan Praktek untuk Pondasi) dan BS 5930: 1981 (Peraturan Praktek untuk Penyelidikan Lapangan) direproduksi atas izin British Standard Institution, 2 Park Street, London
WIA2BS, yang menyediakan salinan lengkap peraturan
peraturan tersebut.
Dundee
September
1986Robert F. Craig
/
Kata Pengantar dari Penerjemah
Buku Soil Mechanics dengan penulis R.F. Craig telah diterbitkan hingga Edisi ke-4 ta
hun 1987, dan hampir setiap tahun semenjak tahun 1974 dicetak ulang karena permintaan yang cukup banyak di kalangan mahasiswa teknik sipil dan geoteknik di luar negeri.
Tulisan R.F. Craig tentang Mekanika Tanah disajikan dengan cara yang mudah dan memberikan banyak pengetahuan yang berkaitan dengan peralatan, prosedur penggunaan alat, metode perbaikan tanah, contoh-contoh soal, latihan dan lain-lain, sehingga buku ini merupakan salah satu referensi utama di Fakultas Teknik Universitas Indonesia dan Institut Sains dan Teknologi Nasional - Jakarta.
Mengingat dorongan dari rekan sejawat di Institut Sain dan Teknologi Nasional {ISTN) Jakarta serta Workshop lkatan Mahasiswa Sipil FTUI untuk menerbitkan buku referensi da
lam bahasa Inggris ke dalam bahasa Indonesia, maka kami berusaha menerjernahkan buku ini.
Ucapan terima kasih kami berikan kepada Sdr. Zaki, Evita, Ir. Herold H, yang telah membantu proses terjemahan serta turut memberikan terminologi yang tepat, dan kepada Ir. Gito Purnomo, Ir. Ari Adji yang memberikan dorongan serta saran, kritikan terhadap buku ini. Jika ternyata ada kekurangan atau kesalahan, dengan tangan terbuka kami akan menerirna saran dan kritikan.
Dr.
Budi Susilo Soepandji
Daftar Isi
Kata Pengantar V
Karakteristik Dasar Tanah l.l Sifat Alamiah Tan ab
1.2 Analis� Ukuran Partike1 5
l.3 Plast�itas Tanah Berbutir-Halus 6
1.4 Deskripsi dan Klasifikasi Tanah 8
1.5 Hubungan Antarfase 20
1.6 Pemadatan Tanah 24
Soal-soal 30
Referensi 31
2 Rembesan 33
2.1 Air Tanah 33
2.2 Permeabilitas 34
2.3 Teori Rembesan 40
2.4 Jaringan Aliran 44
2.5 Kond�i Tanah An�otropik 52
2.6 Kond�i Tanah Tidak Homogen 54
2. 7 Kond�i Transfer 56'
2.8 Rembesan Melalui Bendungan Tanah 57
2.9 Grouting 66
2.10 Pengangkatan Akibat Pembekuan 67
Soal-soal 68
Referensi 7 1
3 T egangan Efek tif 72
3.1 Pendahu1uan 12
3.2 Prinsip Tegangan Efektif 72
3.3 Reaksi Tegangan Efektif Akibat Perubahan Tegangan Total "75
3.4 Tanah Jenuh Sebagi.an 79
3.5 Pengaruh Rembesan Terhadap Tegangan Efektif 80
Soal-soal 88
Referensi 90
viii Daj[ar /si
4 kekuatan Geser 9]
4.1 Kriteria Keruntuhan Mohr-Coulomb 9 1
4.2 Pengujian Kekuatan Geser 94
4.3 Kekuatan Geser Pasir 103
4.4 Kekuatan Geser Lempung Jenuh 105
4.5 Konsep Kondisi Kritis 1 17
4.6 Kekuatan Sisa 123
4.7 Koefisien Tekanan Pori 125
4.8 Pengukuran Pizometer di Lapangan 130
Soal-soal 132
Referensi 134
5 Tegangan dan Perpindahan 136
5. 1 Elastisitas dan Plastisitas 136
5.2 Tegangan Berdasarkan Teori Elastis 144
5.3 Perpindahan Berdasarkan Teori Elastis 15 4
Soal-soal 158
Referensi 159
6 Tekanan Tanah Lateral 160
6.1 . Pendahuluan 160
6.2 .: , Teori Rankine ten tang Tekanan Tanah 161
6.3 Teori Coulomb tentang Tekanan Tanah 175
6.4 Penyelesaian Lain 180
Desain Struktur Dinding Penahan Tanah 18 1
6.5 Dinding Gravitasi dan Dinding Kantilever 181
6.6 Dinding Turap Kantilever 187
6.7 Dinding Turap Dengan Angkur dan Penyangga 188
6.8 Galian yang Diperlukan 20 1
6.9 Dinding Diafragma 203
6.10 Tanah Bertulang 205
Soal-soal 208
Referensi 211
7 Teori Konsolidasr 213
7.1 r-endahuluan 2 13
7.2 Uji Oedometer 2 13
7.3 Penurunan Konsolidasi: Metode Satu-Dimensi 220
7.4 Penurunan Menurut Metode Skempton-Bjerrum 223
7.5 Metode Lintasan Tegangan 228
7.6 �rajad Konsolidasi 229
7.7 Teori Terzaghi tentang Konsolidasi Satu-Dimensi 230
7.8 Penentuan Koefisien Konsolidasi 236
7.9 Koreksi Selama Periode Pelaksanaan Pembangunan 244
7.10 Penyelesaian Numerik 249
7. 11 Drainasi Vertikal 252
Soal-soal 257
Referensi 259
Daftar /si
8 Daya Dukung Tanah 8.1 Penctahuluan
8.2 Daya Dukung Ultimit
8.3 Daya Dukung Izin pacta Lempung . 8.4 Day a Dukung Izin pacta Pasir
8.5 Day a Dukung Tiang Pancang 8.6 Teknik-teknik Perbaikan Tanah 8.7 Galian
8.8 Angkur Tanah Soal-soal
Referensi
ix
261 26I 263 273 273 29I 310 3II 3I3 316 3I8
9 Stabilitas Lereng 321
9.I Penctahuluan 32I
9.2 Analisis untuk Kasus ctengan
c/>,
:=: 0 3229.3 Metocte lrisan 324
9.4 Analisis Kelongsoran Translasi Bictarrg 330
9.5 Metocte Analisis Umum 332
9.6 Stabilitas pacta Akhir Pe1aksanaan Pembangunan ctan Stabilitas Jangka
Panjang 334
9.7 Stabilitas Benctungan Tanah ., 336
Soal-soal 339
Referensi
1 0 Penyelidikan Tanah I 0.1 Penctahu1uan
I 0.2 Metocte-metocte Penyelict*an I0.3 Pengambilan Contoh 10.4 Log Lubang Bor 10.5 Metocte Geofisis Referensi
Notasi Utama Jawaban Soal-soal Indeks
34I
341 341
�<m 3f1 1J6 358 362
363 367 370
1.1. Sifat Alamiah Tanah
BAB l
Karakteristik Dasar Tanah
Bagi para lnsinyur Sipil, tanah adalah akumu}asi partikel mineral yang tidak mempunyai atau lemah ikatan antarpartikelnya, yang terbentuk karena pelapukan dari batuan. Di antara partikel-partikel tanah terdapat ruang kosong yang disebu t pori-pori (void space) yang berisi air dan/atau udara. Ikatan yang lemah antara partikel-partikel tanah disebabkan oleh pengaruh karbonat atau oksida yang tersenyawa di antara partikel-partikel tersebut, atau dapat juga disebabkan oleh adanya material organik. Bila hasil dari pelapukan ter
sebut di atas tetap berada pada temp at semula, maka bagian ini disebut tanah sisa (residual soil). Hasil pelapukan yang terangkut ke tempat lain dan mengendap di beberapa tempat yang berlainan disebut tanah bawaan (transportation soil). Media pengangkut tanah berupa gaya gravitasi, angin, air, dan gletsyer. Pada saat berpindah tempat, ukuran dan bentuk partikel-partikel dapat berubah dan terbagi dalam beberapa rentang ukuran.
Proses penghancuran dalam pembentukan tanah dari batuan terjadi secara fisis atau kimiawi. Proses fisis antara lain berupa erosi akibat tiupan angin, pengikisan oleh air dan gletsyer, atau perpecahan akibat pembekuan dan pencairan es dalam batuan. Tanah yang t�::rjadi akibat penghancuran terse but di atas tetap mempunyai komposisi yang sama dengan batuan asalnya. Tanah tipe ini mempunyai ukuran partikel yang hampir sama rata dan dideskripsikan berbentuk 'utuh' (bulky): yaitu bentuk-bentuknya bersudut agak bersudut, ataupun bulat. Partikel-partikel tanah terdapat dalam rentang ukuran yang cukup lebar, mulai dari berangkal (boulder) sampai serbuk batu halus yang berbentuk akibat penggerus
an oleh gletsyer. Susunan struktural dari partikel 'bulky' (Gambar
1.1)
ini dideskripsikan sebagai butiran tunggal (single grain) di mana setiap partikel saling berhubungan dengan partikel-partikel di sekitarnya tanpa ada suatu ikatan atau kohesi di antara mereka. Kekom
pakan struktur partikel ini, baik yang lepas, agak padat, ataupun padat, tergantung dari proses pemadatan antarpartikel pada saat pembentukan strukturnya.
Proses kimiawi menghasilkan perubahan pada susunan mineral batuan asalnya. Salah satu penyebabnya adalah air yang mengandung asam atau alkali, oksigen, dan karbondiok
sida. Pelapukan kimiawi menghasilkan pembentukan kelompok-kelompok partikel kristal berukuran koloid (< 0,002 mm) yang dikenal sebagai minerallempung (clay mineral).
Mineral lempung kaolinit, sebagai contoh, terbentuk dari pecahan fel
Sp
ar akibat pengaruhMekanika Tanah
Gambar 1.1. Sii!ktur butiran tu11t;gal.
air dan karbondioksid' Hampir samua mlleral lempung berben tuk lempengan yang m em·
punya permukaan speDtlk (perban�an antara luas permukaan dengan massa) yang tinggi. Akibatnya sifat·sifaf
padiief·
uti QQgat rlipengaruhi oleh gaya-gaya permukaan.Bentuk lain dari partikel mineral lempung adalah seperti jarum, tetapi jarang terdapat di·
bandingkan dengan bentuk lempengan.
Satuan struktural dasar dari struktural mineral lempung terdiri dari silika tetrahedron dan alumina oktahedron (Gambar 1.2a). Silikon dan aluminium mungkin juga diganti se·
·bagian dengan unsur lain, yang disebut substitusi isomorfis. Satuan-satuan dasar tersebut bergabung membentuk struktur lembaran yang secara simbolis terlihat pada Gambar 1.2b.
Jenis-jenis mineral lempung tergantung dari kombinasi susunan satuan lembaran dasar.
Yang membedakan jenis-jenis mineral di atas adalah kombinasi tumpukan lembaran dan macam ikatan antara masing·masing lembaran. Struktur·struktur utama mineral lempung dapat dilihat pada Gambar 1.3.
Kaolinit adalah salah satu struktur utama mineral lempung. Bagian dasar struktur ini adalah lembaran tunggal silika tetrahedron yang digabung dengan alumina oktahedron.
e Silikon e Aluminium
0 Oksigen 0 Hidroksil
Sil ika tetrahedron Aluminium oktahedron la)
Lembaran sil ika Lembaran aluminium
(b)
Gambar 1.2. Mineral-minerallempung: satuan-satuan dasar.
Karakteristik Dasar Tanah 3
··�
J ( - -
H20lkatan H K•
-
-·) (
lkatan H
lkatan H K.
- ---- - -
H20) (
(a) (b) (c)
Gambar 1.3. Minerallempung (a) kaolin it, (b) ilit, (c) montrnorilonit
Substitusi isomorfis praktis tidak teijadi dalam struktur ini. Kombinasi lembaran silika
alumina diperkuat oleh hidrogen sebagai perekat. Sebuah partikel kaolinit bisa mencapai lebih dari seratus tingkat.
flit
mempunyai struktur dasar sebuah lembaran alumina oktahedron yang diapit oleh dua lembaran silika tetrahedron. Pada bagian oktahedral terjadi substitusi sebagian aluminium oleh magnesium dan besi, sedangkan pada bagian tetrahedral terjadi substitusi sebagian silikon oleh aluminium. Kombinasi lembaran-lembaran tersebut di atas berikatan satu sama lain dengan perekat (tidak dapat diganti) yang berkekuatan rendah akibat pengaruh ion potasium yang terdapat di antara mereka.
Montmorilonit
mempunyai struktur dasar yang sama dengan ilit, tetapi pada bagian oktahedral hanya magne
sium yang menggantikan sebagian aluminium. Ruangan di antara kombinasi-kombinasi lembaran di atas diisi oleh molekul air dan kation-kation (dapat diganti) selain potasium.
Kekuatan ikatan antara kombinasi-kombinasi lembaran ini sangat lemah. Pada montmori
lonit dapat terjadi pemuaian (swelling) bila ada penambahan air yang terserap di antara kombinasi-kombinasi lembaran terse but.
Permukaan mineral lempung mengandung muatan Iistrik tambahan yang bersifat negatif, terutama akibat substitusi isomorfis dari atom-atom aluminium atau silikon oleh atom-atom dengan valensi yang lebih rendah. Sebab lain ialah disasosiasi ion-ion hidroksil.
Muatan-muatan yang tidak diharapkan akibat rusaknya rekatan pada sisi-sisi lembaran partikel dapat pula terjadi. Muatan negatif teijadi akibat penarikan kation-kation dari air pori ke dalam partikel-partikel yang bersangkutan. Ikatan antara kation-kation dengan partikel tidak terlalu kuat sehingga bila air pori berubah sifat, kation-kationnya juga akan digantikan oleh kation-kation yang lain. Kejadian tersebu t disebu t
pertukaran kation.
Karena permukaan partikel bersifat negatif, maka kation-kation tertarik ke arah par
tikel terse but. Tetapi pada saat yang sama, kation-kation ini cenderung bergerak menjauhi partikel karena pengaruh energi panas yang dirnilikinya. Akibat gerakan yang berlawanan tersebut, kation-kation akan membentuk suatu lapisan yang menyebar ke arah partikel yang berada di dekatnya, sehingga konsentrasi kation berkurang dengan bertambahnya jarak kation terse but dari permukaan partikel, sampai suatu saat akan tercapai konsentrasi kation yang sama dengan yang terdapat dalam air pori. Istilah
lapisan ganda
(double layer) dideskripsikan sebagai lapisan permukaan partikel oleh muatan-muatan negatif dan lapisan kation yang terdispersi. Untuk sebuah partikel, ketebalan lapisan kation tergantung ter
utama pada valensinya dan juga konsentrasi kationnya. Kenaikan nilai valensi (akibat per
tukaran kation) atau kenaikan konsentrasi akan mengakibatkan berkurangnya teballapis
an. Suhu juga mempengaruhi tebal lapisan kation, di mana kenaikan suhu mengakibatkan berkurangnya tebal lapisan.
Lapisan-lapisan molekul air tetap tertahan mengelilingi sebuah partikel minerallem
pung oleh perekat hidrogen dan (karena molekul air adalah dipolar) akibat tarikan ke arah
