SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013 S 5

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013

S 5

PENGARUH MATRIC SUCTION TERHADAP PERILAKU KEMBANG BEBAS TANAH

LEMPUNG EKSPANSIF

Agus Tugas Sudjianto, M. Cakrawala, Candra Aditya

Jurusan Teknik Sipil, Fakultas TeknikUniversitas Widyagama Malang

Jalan Taman Borrobudur Indah No. 3 Malang 65142

email : ats_2003@yahoo.com

ABSTRAK

Fluktuasi kadar air tanah di daerah tropis terjadi akibat hujan, evaporasi dan evapotranspirasi. Akibat perubahan kadar air, kondisi lapisan tanah aan mengalami kondisi jenuh sebagian. Tanah lempung ekspansif pada konisi jenuh sebagian akan mengalami perubahan volume. Tanah ekspansif akan mengalami fenomena kembang pada saat kondisi jenuh sebagian. Pada kondisi jenuh sebagian tersebut, tanah lempung ekspansif juga akan mengalami suction Perilaku kembang tanah ekspansif di lapangan terjadi secara bebas ke arah volumetrik. Fenomena kembang ini akan menyebabkan kerusakan pada struktur yang dibangun di atas maupun didalam tanah lempung ekspansif.

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh sucion terhadap perilaku kembang bebas tanah lempung ekspansif. Sampel tanah lempung ekspansif diambil dari Karang Jati, Kabupaten Ngawi Propinsi Jawa Timur. Penelitian kembang bebas dilakukan pada benda uji terganggu dengan diameter 6,35 cm dan tinggi 1,70 cm, dengan kadar air awal 32% % dan berat volume kering 1,26 kg/cm3. Pengukuran kembang bebasdengan jangka sorong digital, sedangkan pengukuran

suction dengan metode matric suction dengan kertas filter Whatman No. 42.

Hasil penelitian memperlihatkan semakin besar matric suction tanah lempung ekspansif akan menyebabkan semakin kecil kembang bebas yang terjadi.

Kata-kata kunci : tanah lempung ekspansif, matric suction, kembang bebas.

PENDAHULUAN

Di Indonesia, ditinjau dari kejadian tanahnya, masalah tanah lempung ekspansif hampir terdapat di seluruh Indonesia, mulai dari Sumatra Utara sampai ke Papua. Jumlah kerugiannya belum dilaporkan, tetapi dari penelitian dan survei yang telah lakukan oleh pihak Bina Marga dan Pusat Penelitian dan Pengembangan Jalan Departemen Pekerjaaan Umum tahun 1992, banyak kerusakan yang terjadi pada beberapa ruas jalan di Pulau Jawa disebabkan oleh masalah tanah lempung ekspansif (Mochtar, 2000). Proses kembang tanah lempung ekspansif dipengaruhi oleh faktor lingkungan, di antaranya faktor perbedaan iklim, curah hujan, sistem drainasi dan fluktuasi muka air tanah. Myers (2005) menyebutkan bahwa perubahan kadar air pada tanah lempung, khususnya lempung ekspansif, akan menyebabkan perubahan volume.

Perilaku kembang pada tanah ekspansif merupakan kebalikan dari peristiwa kapiler. Bila kadar air dalam tanah naik dan tanah menjadi jenuh, maka tegangan kapiler berkurang dan tegangan air pori dengan sendirinya akan menurun dan dapat sama dengan tegangan hidrostatis. Menurunnya tegangan air pori ini mengakibatkan tanah ekspansif cenderung mengembang kembali pada posisi semula (Mochtar, 2000).

Fenomena kembang pada tanah ekspansif terjadi pada kondisi pembasahan dengan nilai derajat kejenuhan (Sr) < 1, berarti tanah berada pada kondisi

tidak jenuh. Pada kondisi tidak jenuh ini, maka tanah ekspansif terdiri dari tiga fase, yaitu : butiran, air dan udara, sehingga menghasilkan nilai suction. Akibat perubahan nilai derajat kejenuhan (Sr) dan angka pori

(e), maka nilai suction akan naik, sehingga suction yang terjadi pada tanah ekspansif akan mempengaruhi perilaku kembang – susut tanah tersebut.

Uji swelling di laboratorium selama ini, dilakukan pada ring yang terkekang arah lateral, sehingga tidak ada deformasi swelling arah horisontal. Dengan demikian

swelling diasumsikan terjadi hanya pada arah vertikal

saja. Kondisi ini agak berbeda dengan banyak kejadian di lapangan, dimana tanah yang mengembang adalah tanah yang sudah menyusut sebelumnya. Pada tanah yang telah menyusut tersebut menjadi retak – retak akibat penyusutan 3 dimensi. Sewaktu mengembang, tanah tersebut kembali mengembang bebas ke segala arah dari posisinya semula. Model kembang satu dimensi (arah vertikal) tentunya tidak akan cocok bila permukaan tanah lempung ekspansif miring, bila tanah lempung berada di belakang dindng penahan tanah, atau di tepi dinding suatu terowongan. Pada kasus – kasus tersebut,

Swelling arah horisontal sangat menonjol akibat gerakan

dinding (Coduto,1994).

TUJUAN

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui sejauh mana pengaruh perubahan matric suction tanah (∆s) terhadap perilaku kembang bebas tanah lempung ekspansif baik kembang arah vertikal, kembang horisontal maupun kembang volumetrik.

METODE PENELITIAN

Metode penelitian ini meliputi bahan penelitian, peralatan utama yang digunakandan prosedur uji matric

suction dan kembang bebas untuk mengkur kembang

vertikal dan horisontal dengan acuan standar ASTM, adapun uraian dari keduanya adalah sebagai berikut. Tanah Lempung Ekspansif

Penelitian dilaksanakan dengan menggunakan contoh tanah lempung ekspansif yang diambil dari

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013

S 6

Karang Jati, Kabupaten Ngawi, Propinsi Jawa Timur.

Peta lokasi pengambilan sampel tanah lempung seperti pada Gambar 1. Pengambilan sampel dilakukan dalam kondisi undisturbed dan disturbed. Sampel diambil ± 20 m dari bahu jalan. Sampel undisturbed diambil dengan menggunakan tabung sampel yang mempunyai dimensi panjang 30 cm dan diameter 7 cm. Sampel undisturbed akan dijaga agar tetap asli dari perubahan kadar air dan getaran serta bersih dari akar-akar tanaman. Untuk sampel disturbed, diambil dengan cangkul dan sekop dimasukkan ke dalam kantong yang sudah disiapkan. Sampel tanah diambil pada kedalaman 0,50 – 1,00 m dari permukaan tanah.

Gambar 1. Pengambilan sampel tanah di Karang Jati (Ngawi).

Prosedur Uji Matric Suction

Pengukuran suction di laboratorium ada beberapa cara , diantaranya : tensiometer, thermal conductivity, axis

translation, psychometer, humidity control dan filter paper. Pada penelitian ini, pengukuran suction dilakukan

dengan filter paper (kertas saring) Whatman No. 42 (Gambar 2). Pengukuran suction dengan kertas saring merupakan prosedur yang sederhana, jelas dan tidak membutuhkan peralatan khusus. Peralatan yang digunakan untuk mengukur matric suction seperti pada Gambar 3.

Uji suction dengan kertas saring menggunakan standar ASTM D 5298 – 2003. Ada 2 metode yaitu : kertas saring kontek langsung dengan tanah yang disebut dengan uji matric suction dan metode yang kedua adalah

total suction, dimana kertas saring tidak langsung kontak

dengan tanah. Pada penelitian ini digunakan metode

matric suction.

Gambar 2. kertas Filter Whatman No. 42.

Peralatan yang digunakan dalam uji matric suction adalah hot tare dan cold tare, seperti pada Gambar 6. Kotak sampel dengan volume 120 ml – 240 ml yang terbuat dari

gelas yang bebas karat dengan tutup yang rapat, seperti pada Gambar 4.

Gambar 3. Hot tare dan cold tare.

Gambar 4. Kotak sampel.

Pembuatan benda uji matric suction dilakukan dengan tahapan seperti pada Gambar 5. Contoh benda uji yang telah jadi digunakan untuk uji matrik suction yang telah diletakan dalam tabung isolasi seperti pada Gambar 6.

Gambar 5. Pembuatan sampel uji matric suction.

Gambar 6. Sampel uji matric suction di dalam tabung isolasi.

Prosedur Uji Kembang Bebas

Pada penelitian ini untuk mengukur kembang bebas digunakan jangka sorong digital tipe Modern dengan kapasitas pengukuran 150 mm, seperti pada Gambar 7 berikut ini.

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013

S 7

Gambar 7. Jangka sorong digital.

Uji kembang bebas dilakukan pada sampel tanah dengan tanah yang dicetak dengan diameter 6,35 cm dan tinggi 1,70 cm, dengan kadar air awal 32 % dan berat volume kering 1,26 g/cm3, sesuai dengan hasil uji Proctor standar. Pembuatan sampel seperti pada Gambar 8 berikut ini.

Gambar 8. Sampel uji kembang bebas. Perhitungan kembang bebas dilakukan dengan persamaan oleh Holtz dan Gibbs (1956) sebagai berikut ini.

..…………..(1) …….…...…..(2) ……….…..(3)

HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Uji Proctor Standar

Uji matric suction dan uji kembang bebas (free

swelling) dilakukan dengan kadar air awal (wi) dan

kepadatan (γd) dari hasil uji Proctor standar tanah lempung Karang Jati (Ngawi). Perancangan sampel uji

matric suction dan uji kembang bebas menggunakan hasil

uji Proctor standar. Hasil uji Proctor standar tanah lempung Karang Jati (Ngawi) seperti terlihat pada Gambar 6 berikut ini.

Gambar 9. Hasil uji Proctor standar tanah lempung Karang Jati.

Hasil uji Proctor standar pada Gambar 6 menghasilkan nilai kadar air optimum sebesar 32 % dan berat volume kering maksimum 1,26 g/cm3.

Hasil Uji Matric Suction Tanah

Proscdur uji suction tanah mengacu pada standar ASTM D 5298-2003. Pembuatan sampel suction dalam cetakan berdasarkan dengan kepadatan kering tanah yang konstan γd = 1,26 gram/cm3 dengan kadar air awal (wi)

sebesar 32%.

Nilai matric suction tanah ditentukan dengan kalibrasi

suction filter paper Whatman No. 42 berdasarkan

kalibrasi ASTM D 5298-2003, secara analisis besarnya

matric suction (s) tanah terhadap kadar air filter paper

dinyatakan dalam f w

s



10

5,3270,0779 untuk

w

_f < 45,26 % ………...(4) f w

s



10

2,4120,0135 untuk

w

_f < 45,26 % ……….(5) Dengan : f

w

: kadar air filter paper (%).

Kadar air filter paper hasil uji laboratorium disubtitusikan ke Persamaan 4 dan Persamaan 5, ditampilkan pada Tabel 1. Hasil uji matric suction tersebut didasarkan pada kadar air tanah awal pada benda uji tanah lempung Karang Jati (Ngawi). Dari kadar air tanah tersebut dapat ditentukan besarnya nilai derajat kejenuhan (Sr) tanah lempung ekspansif.

Tabel 1 Perbandingan kadar air tanah dengan kadar air filter paper tanah Karang Jati (Ngawi)

Wtanah awal (W), % Sr tanah awal (Sr), % WFilter Paper (Wf), % mactric suction (s) (kN/m2) 5,00 12,14 5,3834 80802,1000 10,00 24,28 11,8556 25349,3000 15,00 36,42 16,6835 10651,1000 20,00 48,58 25,6250 2143,0000 25,00 60,70 32,1400 665,0000 30,00 72,82 39,1000 191,3100 35,00 84,94 45,5712 59,8793 42,00 100 56,0621 9,1142 % 100 % 100      H H awal tinggi awal tinggi akhir tinggi SZ % 100 % 100      D D al diameteraw awal diameter akhir diameter SX % 100 % 100      V V awal volume awal volume akhir volume SV

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013

S 8

Hasil uji matric suction (s) pada Tabel 1,

digambarkan dalam hubungan antara kadar air awal (wi)

dengan matric suction (s) tanah Karang Jati (Ngawi) seperti pada Gambar 10 berikut ini.

1 10 100 1000 10000 100000 0 20 40 60 80 100 Kadar Air, w (%) m a tr ic s u c ti o n , (u a u w ) (K N /m 2)

Gambar 10. Kurva kadar air tanah dengan matric suction tanah Karang Jati (Ngawi).

Tanah lempung Karang Jati (Ngawi) dengan perubahan kadar air filter paper kecenderungan berperilaku linear (Gambar 10), sehingga dapat dianalisis dengan analisis regresi. Pengamatan perilaku matric

suction (s) dengan derajat kejenuhan (Sr) digambarkan

pada Gambar 11 berikut ini.

1 10 100 1000 10000 100000 1000000 0 20 40 60 80 100 Derajat Kejenuhan, Sr (%) m a tr ik s u c ti o n , (u a - uw ) (K N /m 2 )

Gambar 11 Kurva derajat kejenuhan dengan matric

suction

tanah Karang Jati (Ngawi).

Pada penelitian ini kalibrasi matric suction terbatas pada kebutuhan analisis, sehingga untuk kadar air tanah (wi) < 5,00 % dan w > 50,00 % belum dapat digunakan.

Hasil uji matric suction memperlihatkan semakin besar kadar air maka semakin kecil nilai matric suction (Gambar 10),.Demikian pula pengaruh derajat kejenuhan (Sr) menunjukkan perilaku yang sama dengan kadar air (w), semakin jenuh air maka semakin kecil matric suction tanah lempung Karang Jati (Ngawi).

Hasil Uji Kembang Bebas dengan Perubahan Matric Suction

Uji kembang bebas dapat digunakan untuk mengetahui nilai kembang vertikal, kembang horisontal dan kembang volumetrik tanah lempung ekspansif, seperti yang dilakukan oleh Holtz dan Gibbs (1956). Hasil uji kembang bebas tanah Karang Jati (Ngawi) pada

perubahan matric suction seperti pada Tabel 2. Hasil tersebut dibuat grafik hubungan antara matric suction dengan kembang vertikal, kembang horisontal dan kembang volumetrik seperti pada Gambar 12.

Tabel 2. Hasil uji kembang bebas tanah lempung Karang Jati

(Ngawi) pada perubahan matric suction

mactric suction (s) (kN/m2) Kembang vertikal (%) z S Kembang horisontal (%) x S Kembang volumetrik (%) v S 80802,1000 0,00 0,00 0,00 25349,3000 3,99 1,62 7,38 10651,1000 7,54 3,34 14,85 2143,0000 11,31 4,99 22,70 665,0000 15,09 6,72 31,10 191,3100 18,86 8,44 39,37 59,8793 20,10 9,83 44,89 9,1142 20,12 9,95 45,22 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 10 100 1000 10000 100000 Matric suction, ua-uw (kN/m2) S w e ll ing , S ( % ) Swelling Volumetric Swelling Vertical Swelling Horizontal

Gambar 12. Hubungan matrioc suction dengan kembang vertikal, horisontal dan volumetrik tanah Karang Jati.

Gambar 12 memperlihatkan hubungan antara

matric suction (W) dengan kembang vertikal, kembang

horisontal dan kembang volumetrik tanah Karang Jati (Ngawi). Pada uji kembang bebas tersebut. kembang vertikal, kembang horisontal dan kembang volumetrik menjadi kecil dengan naiknya matric suction dan berhenti mengembang pada matric suction 9,1142 kN/m2 _{. Hasil ini memperlihatkan bahwa pengaruh} matric suction terhadap perilaku kembang bebas pada

tanah lempung ekspansif banding terbalik dengan pengaruh kadar air dan derajat kejenuhan (Sr).

Perbandingan Kembang Pada Uji Kembang bebas Uji kembang bebas terdiri dari uji kembang vertikal dan uji kembang horisontal. Kembang vertikal (Sz)

dalam penelitian ini adalah perubahan dimensi tinggi (ΔH) benda uji terhadap tinggi awal (Ho) benda uji tanah

lempung ekspansif, sedangkan Kembang horisontal (Sx)

adalah perubahan dimensi secara horisontal dalam hal ini diameter benda uji (ΔD) terhadap diameter awal (Do) benda uji tanah lempung ekspansif yang

dinyatakan dalam persen (%). Sedangkan nilai kembang volumetrik dihitung dengan persamaan 5.

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013

S 9

Hasil penelitian ini memperlihatkan bahwa, uji

kembang bebas yang dihasilkan, nilai rata-rata kembang vertikal (Sz) tanah Karang Jati (Ngawi) lebih

besar 1,37 kali dari nilai rata-rata kembang horisontal (Sx). Hasil tersebut seperti terlihat pada kurva

perbandingan hubungan kembang vertikal dan kembang horisontal dengan matric suction (s), seperti pada Gambar 13 berikut ini.

0 5 10 15 20 25 1 10 100 1000 10000 100000 Matric suction, ua-uw (kN/m2) S w e ll ing , S ( % ) Swelling Vertical Swelling Horizontal

Gambar 13. Perbandingan kembang vertikal dan horisontal

tanah Karang Jat (Ngawi).

Hasil penelitian pada uji kembang bebas (free

swelling) pada tanah lempung Karang Jati (Ngawi)

dihasilkan juga kembang volumetrik (Sv) yang dihitung menggunakan persamaan/formula kembang volumetrik. Benda uji pada saat kembang akan mengalami perubahan dimensi secara volumetrik dalam hal ini volume benda uji (ΔV) tanah ekspansif terhadap volume awal (V0) benda uji tanah lempung ekspansif yang

dinyatakan dalam persen (%).

Hasil penelitian ini memperlihatkan, kembang volumetrik (Sv) yang dihasilkan oleh tanah Karang Jati

(Ngawi) lebih besar 2,65 kali dari kembang vertikal (Sz), seperti terlihat pada Gambar 14 berikut ini.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 10 100 1000 10000 100000 Matric suction, ua-uw (kN/m2) S w e ll ing , S ( % ) Swelling Volumetric Swelling Vertical

Gambar 9. Perbandingan kembang volumetrik dan vertikal

tanah Karang Jat (Ngawi).

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilaksanakan dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut. 1. Nilai matric suction sangat dipengaruhi oleh kadar

air (w) dan derajat kejenuhan (Sr) tanah lempung, semakin besar kadar air dan derajat kejenuhan semakin kecil nilai matric suction tanah lempung Karang jati (Ngawi).

2. Perilaku kembang bebas vertikal, kembang horisontal dan kembang volumetrik dengan kadar air awal dan kepadatan yang sama pada tanah Karang Jati (Ngawi) sangat dipengaruhi oleh perubahan

matric suction tanah, semakin besar matric suction

dalam tanah lempung ekspansif semakin kecil kembang bebas yang terjadi.

3. Perbandingan kembang vertikal terhadap kembang horisontal pada uji kembang bebas tanah Karang Jati (Ngawi) sebesar 1,37, sedangkan rasio kembang volumetrik terhadap kembang vertikal sebesar 2,65.

UCAPAN TERIMA KASIH

Disampaikan terima kasih kepada Direktorat Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (DP2M) Dikti yang telah mendanai kegiatan penelitian ini dengan skim Penelitian Hibah Bersaing (PHB) dengan kontrak No : 019/SP2H/PDSTRL/K7/II/2013, tanggal 10 Pebruari 2013.

DAFTAR PUSTAKA

ASTM, 2003, Annual Books of ASTM Standards Section 4 Volume 04.08 Soil and Rock (I): D420-D4914. Chen, F.H., 1988, Foundation on Expansive Soils, 2nd ed

Amsterdam, pp 463, Elseveier Scientific Publication Company, New York, USA, Coduto, D.P., 1994, Foundation Design Principles and

Practices, Prentice Hall International, Inc.

Dakhshanamurthy, V. and Raman, V., 1975, Review of

Expansive Soils, Discusion, Journal of

geotechnical Enggineering Division, ASCE, Volume 101, , No. GT 6.

Dela, 2001, Measurement of Soil Moisture using Gypsum

Block, Measuretmen Enggineering Australia

(MEA), Adelaide, Australia.

Gourly, C.S., Newill, D., and Schreiner, H.D., 1993,

Expansive Soil, TRL”s Research Strategy, Proc.

Ist Inc. Symp. Engineering Characteristics of Arid Soils, London.

Hardiyatmo, H.C., 2006, Mekanika Tanah I, edisi 4, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta

Holtz, R.D., and Gibbs, H.J., 1956, Prediction on

Swelling Potential for Compacted Clay, Journal of

the Soil mechanics and Foundation devision , ASCE, Discussion, Vol 88, No.SM4.

Mochtar, I. B., 1994, Rekayasa Penanggulangan Masalah Pembangunan pada Tanah-tanah Sulit, Jurusan Teknik Sipil FTSP ITS, Surabaya.

Mochtar, I. B., 2000, Teknologi Perbaikan Tanah dan Alternatif Perencanaan pada Tanah bermasalah, Jurusan Teknik Sipil FTSP ITS, Surabaya. Myers, D., 2005, Expansive Clays and Road Subgrade an

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013

S 10

Nelson, J.D., and Miller, D.J., 1992, Expansive Soils;

Problem and practice in Foundation and Pavement Engineering, John Wiley and Sons, New York.

Rifa’i A., 2002, Mechanical testing and Modelling of an

Unsaturated Silt ith engineering Application, Ph.D

Desertation , EPFL, Switzerland.

Sapaz, B., 2004, Lateral Versus Vertical Swell Pressure

in

ExpansiveClaySoils,etd.lib.metu.edu/upload/10530

40/index

Seed, H.B., Woodward R.J., Lundgren R., 1962,

Prediction of Swelling Potential for Cpmpacted Clays, Journal of the Soil Mechanics and

Foundation Division, ASCE, Vol.88. No. SM3. Proc. Paper 3169.

Sudjianto, A.T., Suryolelono, K.B., Rifa’i, A. and Mochtar, I.B., 2008, Behaviour of Vertical and Lateral Swelling Pressure on Disturbed Highly Expansive Clay Under Water Content Variation Condition, International Conference on

Geotechnical and Highway Engineering,

Universiti Teknologi Malaysia, Kuala Lumpur, Malaysia, 2008, Paper no G 21.

Sudjianto, A.T., Cakrawala, M, and Aditya, C., 2012, The Effects of Water Contents on Free Swelling of Expansive Soils, International Journal of Civil & Enviromental Engineering IJCEE/IJENS Volume 12, Issue 06, pp 13 – 17.

Taboada, M. A., 2003, Soil Shrinkage Characteristics in

Swelling

Soil,www.ictp.it/~pub_off/lectures/ins018/39taboa

da1, 9 November 2007.

Van Der Merwe, D.H., 1964, The Prediction of heave

from the Plasticity Index and percentage Clay Fraction of Soils, Civil engineers in south Africa,

6(6):103-107

Yong, R, N., and Warketin, B, P., 1975, Introduction to