PENENTUAN PARAMETER PERMEABILITAS KONDISI TIDAK JENUH AIR METODE FREDLUND & XING

(1)

PENENTUAN PARAMETER PERMEABILITAS KONDISI TIDAK

JENUH AIR METODE FREDLUND & XING

Arifan Jaya S1, Khori Sugianti1, dan Y. Sunarya Wibawa1 1

Peneliti Pusat Penelitian Geoteknologi-LIPI Kompleks LIPI, Jl. Sangkuriang Bandung, Indonesia

ABSTRAK

Permeabilitas merupakan sifat tanah yang menunjukkan kemampuan meloloskan air. Pada kondisi tidak jenuh air, nilai permeabilitas tidaklah konstan. Permeabilitas kondisi ini dipengaruhi oleh adanya matric suction. Pada pengujian ini, permeabilitas akan mempengaruhi ketinggian muka airtanah fungsi waktu. Makalah ini bertujuan untuk mengetahui validitas hubungan antara elevasi muka airtanah yang terekam pada pizometer skala laboratorium dengan simulasi numerik yang menggunakan pendekatan metode Fredlund & Xing dengan dilakukannya penyesuaian kurva. Penelitian dilakukan dengan mengamati pizometer pada tiap-tiap nodal tangki pengujian laboratorium pada waktu 0, 9, 27, 40, 50, dan 62 menit. Simulasi numerik menggunakan perangkat lunak Geostudio SEEP/ W dengan beberapa simulasi dimana parameter a, m, dan n berbeda-beda. Simulasi I nilai a=5,9634, m=1,9508, dan n=1,0183; simulasi II nilai a=10, m=2, dan n=1; simulasi III nilai a=12, m=2, dan n=1; sedangkan simulasi IV nilai a=15, m=2, dan n=1. Hasil analisis simulasi numerik menunjukkan penyesuaian kurva pada simulasi IV dengan mengubah parameter nilai a=15, m=2, dan n=1 mempunyai kesesuaian yang dekat dengan pengamatan pizometer untuk jenis tanah Pasir Cimalaka rata-rata sebesar 87,88%.

Kata kunci: permeabilitas, kondisi tidak jenuh air, muka airtanah, persamaan Fredlund & Xing.

ABSTRACT

Permeability is the ability of soil properties that indicate the water to passed off . In unsaturated conditions, the permeability is not a constant value. Permeability of this condition is influenced by the presence of matric suction. In this test, the permeability will affect the level of groundwater function of time. This paper aims to determine the validity of the relationship between groundwater elevation using pizometer recorded on a laboratory scale versus a numerical simulation method approached by Fredlund & Xing equation with curves adjustments. The study was conducted by observing pizometer at each nodal laboratory testing tank at time 0, 9, 27, 40, 50, and 62 minutes. Numerical simulations using software Geostudio SEEP/W with some simulations where the parameters a, m, and n are vary. Simulation I value a = 5,9634, m = 1,9508 and n = 1,0183 ; simulation II values a = 10 , m = 2, and n = 1 ; simulation III values a = 12, m = 2, and n = 1 ; while simulating the IV value of a = 15, m = 2, and n = 1. The results of numerical simulation analysis shows the simulated IV curves adjustment by changing the parameter value of a = 15, m = 2, and n = 1 has a close conformity with the observation pizometer for sand soil type Cimalaka average of 87,88 % .

(2)

PENDAHULUAN

Permasalahan konduktivitas hidraulik dalam kondisi tidak jenuh air sering dijumpai pada kehidupan sehari-hari. Kondisi ini mempengaruhi percepatan penjenuhan tanah akibat tidak konstannya faktor permeabilitas karena adanya pengaruh matric suction. Beberapa perkembangan teori mengenai perubahan permeabilitas atau yang dikenal sebagai konduktivitas hidraulika telah dipelajari sejak tahun 1958, diantaranya peneliti tersebut antara lain Gardner tahun 1958, Brooks dan Corey tahun 1964, Arbhabhirama dan Kridakorn tahun 1968, Van Genuchten tahun 1980 serta Fredlund & Xing tahun 1994 (Fredlund dkk, 2012). Walaupun persamaan-persamaan tersebut telah dibuat, akan tetapi tetap memerlukan proses “fitting curve” sebagai akibat dari spesifiknya sifat fisik dan mekanik serta geologi suatu lokasi. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui validitas hubungan antara elevasi muka airtanah yang terekam pada piezometer yang dipasang pada lereng pasir simulasi skala laboratorium dengan simulasi numerik yang menggunakan pendekatan metode Fredlund & Xing dengan dilakukannya penyesuaian kurva.

METODOLOGI

Pengamatan Piezometer Skala Laboratorium

Kegiatan yang dilakukan pada skala laboratorium adalah dengan melakukan pengamatan kenaikan muka airtanah pada piezometer. Piezometer ini terpasang pada tangki simulasi dengan dimensi 2,4 x 0,8 x 1,2 m3. Lereng yang dibuat pada penelitian ini berukuran seperti yang disajikan pada Gambar 1.

Gambar 1. a) Tangki simulasi b) Lereng yang dibuat c) Sketsa Lereng

a) b)

(3)

Tanah yang digunakan dalam pembuatan lereng adalah Pasir Cimalaka. Pasir ini mempunyai sifat fisik seperti yang disajikan pada Tabel 1 dan distribusi butir pada Gambar 2 yang menunjukkan hasil analisis berupa pasir sedang.

Tabel 1. Parameter tanah untuk pembuatan lereng simulasi.

Keterangan Simbol Satuan Nilai

Spesific Gravity Gs - 2.04

Berat isi kering γd kN/m3 1.489

Berat isi basah γ kN/m3 1.096

Permeabilitas jenuh ks m/s 1.1x10-5

Indeks kompresivibilitas volume Mv m2/kN 4.0x10-5

Porositas n % 58.783

Ukuran efektif D10 mm 0.12

Diameter maksimal yang beratnya 60% berat total D60 mm 0.88

Gambar 2. Distribusi butir Pasir Cimalaka pada lereng simulasi pada kedalaman 50 cm. Pengamatan ini dilakukan pada waktu 0, 9, 27, 40, 50 dan 62 menit. Urutan waktu tersebut dilakukan untuk mengamati efek kenaikan muka airtanah pada sistem lereng secara bertahap. Dengan adanya perubahan secara gradual tersebut diharapkan dapat menggambarkan permeabilitas pada kondisi tidak jenuh air di lereng simulasi tersebut.

Persamaan Tertutup Fredlund & Xing (1994)

Salah satu persamaan konduktivitas hidraulika yang sering digunakan adalah persamaan Fredlund & Xing yang diperkenalkan pada tahun 1994. Persamaan ini dapat dilihat pada Persamaan 1 sampai dengan 3 (GEO-SLOPEa,2004).

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 0.01 0.1 1 10 P er se n ta si l o lo s (%) Diameter (mm)

(4)

... Persamaan 1 Dengan:

kw = permeabilitas saat kadar air tertentu atau tekanan pori tertentu (m/s) ks = permeabilitas jenuh (m/s)

Θs = kadar air volumetrik e = angka natural 2,71828

y = variabel dummy yang mempresentasikan logaritma tekanan air pori negatif i = interval antara j ke N

j = tekanan air pori negatif terakhir yang dideskripsikan pada tiap fungsi N = tekanan air pori negatif maksimum yang dideskripsikan pada fungsi terakhir Ψ = suction pada interval ke j

Θ = turunan pertama pada persamaan

... Persamaan 2

Dengan:

a = perkiraan nilai air entry tanah

n = parameter yang mengontrol kemiringan di titik puncak pada fungsi kadar air volumetrik

m = parameter yang berhubungan dengan kadar air residual

... Persamaan 3

Dengan:

Cr = konstanta yang berhubungan dengan matric suction dan kadar air residual Validasi yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah mengubah nilai obyektif yang berupa nilai a, m, dan n. Nilai-nilai ini akan didekati dengan distribusi ukuran butir tanah simulasi. Analisis dan Diskusi

Iterasi dilakukan dengan cara merubah nilai a, m, dan n. Rentang nilai a yang mempresentasikan

(5)

m=2, dan n=1; sedangkan simulasi IV nilai a=15, m=2, dan n=1. Dari beberapa simulasi diperoleh grafik seperti yang ada pada Gambar 3, Gambar 4, Gambar 5, dan Gambar 6.

Gambar 3. Trendline kesesuaian dengan nilai a=5,9634, m=1,9508, dan n=1,0183

Pada Gambar 3 ini terlihat kesesuaian antara hasil simulasi dan pengamatan tidak berada pada tren yang semakin mengerucut. Dimulai dari pengamatan 9 menit ke 27 menit yang semakin membesar nilai R2 nya, akan tetapi pada menit ke 40 sampai dengan 62 nilai R2 semakin mengecil. Dengan demikian nilai a, m dan n pada simulasi pertama ini kurang dapat digunakan pada jenis tanah yang digunakan.

0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 El eva si m u ka a ir ta n ah p en ga m ata n (cm )

Elevasi muka air tanah simulasi (cm) Waktu 0 menit y = 0.8416x + 8.9886 R² = 0.868 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 El eva si m u ka a ir ta n ah p en ga m ata n (cm )

Elevasi muka air tanah simulasi (cm) Waktu 40 menit y = 1.8529x - 16.134 R² = 0.7474 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 El eva si m u ka a ir ta n ah p en ga m atan (cm )

(6)

Gambar 4. Trendline kesesuaian dengan nilai a=10, m=2, dan n=1

Pada simulasi kedua ini dilakukan perubahan nilai a menjadi 10 kPa dan nilai m serta n mirip dengan simulasi sebelumnya, yaitu pembulatan nilai menjadi m=2 dan n=1. Dengan adanya perubahan tersebut maka terdapat trend adanya peningkatan dari menit ke 9 menuju 27. Selanjutnya pada menit 40 ke 50 mengalami penurunan kesesuaian akan tetapi pada menit ke 62 mengalami peningkatan kesesuaian.

Elevasi muka air tanah simulasi (cm) Waktu 0 menit y = 1.9369x - 18.605 R² = 0.8356 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 El eva si m u ka a ir ta n ah p en ga m ata n (cm )

Elevasi muka air tanah simulasi (cm) Waktu 9 menit y = 1.238x + 1.761 R² = 0.8036 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 El eva si m u ka a ir ta n ah p en ga m atan (cm )

Elevasi muka air tanah simulasi (cm) Waktu 60 menit y = 1.0495x + 2.2695 R² = 0.8745 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 El eva si m u ka a ir ta n ah p en ga m atan (cm )

(7)

Pada simulasi ketiga ini dilakukan peningkatan nilai air entry value menjadi 12 kPa sementara nilai m dan n tetap. Hasil yang didapatkan ternyata nilai R2 mempunyai kecenderungan sama dengan simulasi kedua, hanya saja terdapat perbedaan besarnya kesesuaian yang pada simulasi ketiga nilainya lebih besar daripada kedua. Nilai R2 pada menit ke 50 di simulasi kedua sebesar 0,773 sedangkan pada simulasi ketiga ada pada angka 0,796.

Elevasi muka air tanah simulasi (cm) Waktu 9 menit y = 1.1377x - 0.7094 R² = 0.847 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 El eva si m u ka a ir ta n ah p en ga m atan (cm )

(8)

Simulasi keempat menghasilkan pola yang berbeda dengan simulasi sebelumnya. Dengan diubahnya nilai a menjadi 15 kPa tampak bahwa pada menit 9 sampai dengan 27 kesesuaian meningkat, sedangkan pada rentang 40 sampai dengan 62 menit mempunyai pola kurva terbalik, yaitu pada menit 50 merupakan puncak kesesuaian tertinggi.

Nilai a dianggap sebagai parameter yang paling dominan dibandingkan dengan yang lain. Hal ini tampak ketika nilai a dirubah maka terdapat perubahan yang signifikan pada muka air tanah pada saat menit ke 27, yaitu naiknya muka air pada kaki lereng pada elevasi 25 cm (Gambar 7)

Elevasi muka air tanah simulasi (cm) Waktu 27 menit y = 1.2237x + 0.9941 R² = 0.9089 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 El eva si m u ka ai r tan ah p en ga m ata n (cm )

Elevasi muka air tanah simulasi (cm) Waktu 50 menit y = 1.2172x + 2.6998 R² = 0.9066 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 El eva si m u ka a ir ta n ah p en ga m atan (cm )

(9)

Gambar 7. Muka air tanah hasil analisis pada menit ke 27 dengan nilai a=15, m=2 dan n=1 Hasil analisis simulasi numerik menunjukkan bahwa dengan adanya perubahan nilai obyektif tersebut akan berpengaruh kepada cocoknya dengan pengamatan piezometer. Berdasarkan nilai R2 kesesuaian nilai rata-rata simulasi I, II, III, dan IV adalah = 73.86 %, 82.6 %, 83.74%, dan 87.88%. Dengan demikian nilai a=15, m=2 dan n=1 merupakan parameter obyektif pada kurva SWCC yang paling cocok untuk menggambarkan pola kenaikan muka air tanah pada simulasi ini.

KESIMPULAN

Berdasarkan analisis simulasi numerik menunjukkan penyesuaian kurva pada simulasi IV menggunakan persamaan tertutup Fredlund & Xing dengan mengubah parameter nilai a=15, m=2, dan n=1 mempunyai kesesuaian yang dekat dengan pengamatan pizometer untuk jenis tanah Pasir Cimalaka. Hal ini juga menjadikan validasi pada menit ke 27 yang berupa keluarnya air pada kaki lereng cocok dengan hasil analisis. Nilai R2 pada simulasi keempat sebesar 87.88% merupakan nilai terbesar dibandingkan simulasi sebelumnya.

DAFTAR PUSTAKA

Fredlund, D.G, Rahardjo, H dan Fredlund, M.D, 2012, Tidak jenuh air Soil Mechanics in

Engineering Practice, Wiley, Amerika, ISBN 978-1-118-13359-0, p.114

GEO-SLOPEa, 2004, Seepage Modeling with SEEP/W An Engineering Methodology, Manual program SEEP/W, Kanada, pp.345-347

GEO-SLOPEb, 2004, Seepage Modeling with SEEP/W An Engineering Methodology, Manual program SEEP/W, Kanada, p.111