i
PERENCANAAN STABILITAS LERENG DENGAN
SHEET PILE DAN PERKUATAN GEOGRID
MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA
TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Melengkapi Tugas-tugas dan Memenuhi Syarat Untuk Menempuh Ujian Sarjana Teknik Sipil
Disusun oleh :
Erin Anastasia Sebayang
09 0404 085
BIDANG STUDI GEOTEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ii ABSTRAK
Kelongsoran pada lereng yang disebabkan karena menurunnya kekuatan geser tanah sehingga tidak dapat memikul beban kerja yang terjadi dapat diperbaiki dengan menggunakan dinding penahan tanah (sheet pile) atau dengan perkuatan geogrid. Pada kasus jalan Kota Pematang Siantar dengan Parapat di Km. 171 badan jalan mengalami kelongsoran sehingga diperlukan penanganan untuk kasus ini.
Tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh counterweight di belakang sheet pile, pengaruh kedalaman penanaman sheet pile dan pengaruh letak geogrid terhadap stabilitas lereng menggunakan Metode Elemen Hingga dengan Program Plaxis.
Dari hasil perhitungan diperoleh lereng tanpa counterweight memiliki faktor keamanan sebesar 1,16 sedangkan lereng dengan counterweight memiliki faktor keamanan sebesar 2,29. Maka lereng dengan counterweight memiliki faktor keamanan yang lebih besar. Lereng dengan penambahan panjang sheet pile memiliki faktor keamanan sebesar 2,41 sedangkan lereng dengan pengurangan panjang sheet pile memiliki faktor keamanan sebesar 2,23. Maka lereng dengan penambahan panjang sheet pile memiliki faktor keamanan yang lebih besar. Lereng dengan pemasangan geogrid yang sebidang memiliki faktor keamanan sebesar 2,10 sedangkan lereng dengan pemasangan geogrid tidak sebidang memiliki faktor keamanan sebesar 2,29, maka geogrid yang tidak sebidang memiliki faktor keamanan yang lebih besar daripada geogrid yang sebidang.
Kata Kunci : sheet pile, geogrid, counterweight, metode elemen hingga, faktor keamanan lereng
iii KATA PENGANTAR
Puji dan syukur Penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Kuasa, atas berkat dan karunia – Nya lah sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.
Penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk melengkapi persyaratan dalam menempuh ujian Sarjana Teknik Sipil pada Fakultas Teknik Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
Dalam penulisan Tugas Akhir ini, Penulis menghadapi berbagai kendala, tetapi karena bantuan dari berbagai pihak, penulisan Tugas Akhir ini dapat terselesaikan. Pada kesempatan ini pula, Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Rudi Iskandar, MT., sebagai Dosen Pembimbing dan Penguji yang telah sabar memberi bimbingan, arahan, saran, serta motivasi kepada Penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE., dan Ibu Ika Puji Hastuti, ST, MT., sebagai Dosen Pembanding dan Penguji Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Prof. Dr. Ing-.Johannes Tarigan, sebagai Ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. Syahrizal, MT., sebagai Sekretaris Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara.
iv
5. Ibu Ika Puji Hastuti, ST, MT., sebagai Kepala Laboratorium Mekanika Tanah Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
6. Seluruh Bapak dan Ibu Dosen Pengajar Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah membimbing dan memberikan pengajaran kepada Penulis selama menempuh masa studi di Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 7. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara.
8. Kedua orang tuaku Bapak Ir. A. Sebayang dan Ibu R. Perangin-angin, SE yang dengan penuh cinta kasih, kesabaran, dan ketabahan dalam merawat, mendidik, menjaga, mendoakan serta berjuang dengan keras untuk selalu memenuhi kebutuhan hidupku hingga berhasil mendapatkan kesempatan untuk menempuh pendidikan yang tinggi. Semoga Tuhan Yang Maha Kuasa selalu melimpahkan berkat bagi beliau.
9. Kepada kakak dan adik-adikku, yang selalu mendukung dan memberi semangat serta doa demi kelancaran kuliahku, Ria Elevin Sebayang, Amd., Agriva Suranta Sebayang dan Meylisa Gabriela Sebayang.
10. Sahabat-sahabatku Febrina Ginting, Mei Tambunan, Yolanda Ginting dan Utami Tampubolon yang selalu memberikan semangat dan dukungan bagi Penulis.
11. Sahabat-sahabat seperjuangan di Teknik Sipil USU, Sandy C. Sinaga, Grace N. Simamora dan Elgina F. Manalu, terima kasih dukungan serta semangat dalam perkuliahan penulis dan pengerjaan tugas akhir ini.
v
12. Sahabat-sahabat Pengurus Permata Kemenangan Tani, Andos, Doanta, Yahya, Basri, Fran, Ebed, Priskila, Lia, Cici, dan terkhusus untuk Dapit Sembiring yang selalu memotivasi, memberi semangat, doa dan perhatian kepada penulis.
13. Teman-teman Geoteknik 2009, Hasoloan H.P Sinaga, Agrifa Sianipar, Elisa D.J Purba, Manna Grace Sihotang, Atina Rezky dan Nita Fadila, terima kasih atas segala bantuannya selama ini.
14. Seluruh rekan-rekan seperjuangan stambuk 2009, Frengky, Jostar, Sahala dan yang tidak dapat disebutkan satu persatu namanya yang telah memberi dukungan serta semangat dalam perkuliahan penulis.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari Bapak dan Ibu Staf Pengajar serta rekan – rekan mahasiswa demi penyempurnaan Tugas Akhir ini.
Akhir kata, Penulis berharap Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat yang sebesar–besarnya bagi kita semua. Amin.
Medan, Februari 2014
Erin Anastasia Sebayang 08 0404 085
vi DAFTAR ISI
Abstrak ... ii
Kata Pengantar ... iii
Daftar Isi ... vi
Daftar Gambar... x
Daftar Tabel ... xiv
Daftar Notasi dan Singkatan ... xv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang Masalah... 1
1.2 Identifikasi Masalah ... 2
1.3 Tujuan dan Manfaat ... 3
1.4 Pembatasan Masalah ... 4
1.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Tanah ... 6
2.2 Dinding Penahan Tanah ... 6
2.2.1. Sistem Stabilisasi Eksternal ... 7
2.2.1.1 Faktor Keamanan terhadap kegagalan geser ... 10
2.2.1.2 Faktor Keamanan terhadap kegagalan guling ... 13
vii
2.2.2. Sistem Stabilisasi Internal ... 15
2.3 Tanah Bertulang ... 17
2.3.1 Prinsip dan Interaksi tulangan tanah ... 18
2.3.2 Akibat penggunaan tulangan pada kekuatan geser tanah... 21
2.3.2.1 Koefisien Geser Tampak ... 22
2.3.2.2 Sudut Geser, Kohesi Tanah dan Tegangan Overburden ... 24
2.4 Tekanan Tanah Lateral... 27
2.4.1 Tekanan Tanah dalam Keadaan Diam (At-Rest) ... 27
2.4.2 Tekanan Tanah Aktif dan Pasif Menurut Rankine ... 29
2.5 Bidang Longsor ... 32
2.5.1 Distribusi Tegangan Vertikal ... 33
2.5.2 Distribusi Tegangan Horizontal ... 34
2.5.2.1 Gaya Horisontal yang Ditahan Tulangan ... 35
2.6 Sheet Pile ... 37
2.6.1 Metode Konstruksi Sheet Pile ... 38
2.6.2 Desain Kedalaman Sheet Pile ... 39
2.7 Geogrid ... 42
2.7.1 Jenis Geogrid ... 45
2.7.2 Kelebihan Pemakaian Geogrid ... 47
2.7.3 Kekurangan Pemakaian Geogrid ... 47
2.7.4 Desain Perkuatan Geogrid pada Sheet Pile ... 48
2.8 Metode Elemen Hingga ... 50
viii
2.8.2 Tipe – Tipe Elemen Dalam Metode Elemen Hingga ... 51
2.8.3 Konsep Tegangan – Regangan ... 53
2.8.4 Sifat Mekanik Bahan ... 59
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 63
3.1 Data Umum ... 63
3.2 Data Tanah ... 63
3.3 Data Teknis Geogrid ... 64
3.4 Data Teknis Sheet Pile ... 64
3.5 Metode Pengumpulan Data ... 66
3.6 Metode Perencanaan Menggunakan Metode Elemen Hingga ... 66
BAB IV ANALISIS DAN PERHITUNGAN ... 75
4.1 Kondisi Lereng Setelah Konstruksi ... 75
4.1.1 Faktor Keamanan Lereng ... 79
4.1.2 Deformasi Lereng ... 79
4.1.3 Deformasi pada sheet pile ... 81
4.1.4 Deformasi pada geogrid ... 82
4.2 Pengaruh Beban Counterweight terhadap Konstruksi Lereng ... 83
4.2.1 Faktor Keamanan Lereng ... 83
4.2.2 Deformasi Lereng ... 84
4.2.3 Deformasi pada sheet pile ... 86
ix
4.3 Pengaruh Panjang Sheet Pile terhadap Konstruksi Lereng ... 89
4.3.1. Lereng dengan Penambahan Panjang Sheet Pile ... 89
4.3.1.1 Faktor Keamanan Lereng ... 89
4.3.1.2 Deformasi Lereng ... 90
4.3.1.3 Deformasi pada sheet pile ... 92
4.3.1.4 Deformasi pada geogrid ... 93
4.3.2. Lereng dengan pengurangan panjang sheet pile ... 94
4.3.2.1 Faktor Keamanan Lereng ... 94
4.3.2.2 Deformasi Lereng ... 95
4.3.2.3 Deformasi pada sheet pile ... 97
4.3.2.4 Deformasi pada geogrid ... 98
4.4 Pengaruh Pemasangan Geogrid terhadap Konstruksi Lereng... ... 100
4.4.1 Faktor Keamanan Lereng ... 100
4.4.2 Deformasi Lereng ... 101
4.4.3 Deformasi pada sheet pile ... 103
4.4.4 Deformasi pada geogrid ... 105
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... ... 107
5.1 Kesimpulan ... 107
5.2 Saran ... 108 Daftar Pustaka
x DAFTAR GAMBAR
No. Judul Hal
2.1 Diagram Fase Tanah 6 2.2 Klasifikasi Dinding Penahan Tanah 7
2.3 Gravity Walls 8
2.4 Sheet Pile Wall 9 2.5 Mekanisme kegagalan dinding penahan (a) Kegagalan Pergeseran;
(b) Kegagalan Penggulingan; (c) Kegagalan daya dukung tanah
(d) Kegagalan stabilitas lereng global 10 2.6 Gaya-gaya yang bekerja pada analisis stabilitas eksternal
menggunakan asumsi Meyerhoff 12 2.7 Mechanically Stabilized Earth 15 2.8 Zona aktif dan zona penahan dinding penahan 16 2.9 Bidang-bidang Longsor Potensial 17 2.10 Transfer geser tanah-tulangan 18 2.11 Variasi gaya tarik sepanjang tulangan 19 2.12 Hubungan linear antara tegangan normal dan tegangan geser 22 2.13 Penjelasan kohesi tampak pada peningkatan kekuatan
karena tulangan 25
2.14 Konsep naiknya confinement tanah bertulang 26 2.15 Garis kekuatan untuk pasir dan pasir bertulang 26 2.16 Distribusi tekanan tanah dalam keadaan diam (at rest) pada
xi
dinding penahan 29
2.17 Grafik hubungan pergerakan dinding penahan dan tekanan tanah 30 2.18 Dinding Penahan Tanah tanpa Tulangan 33 2.19 Dinding Penahan Tanah dengan Tulangan 33 2.20 Gaya horizontal yang harus ditahan tulangan 36 2.21 Metode konstruksi dari Backfilled Structure 38 2.22 Metode konstruksi dari Dregde Structure 39 2.23 Sheet pile pada tanah lempung 40 2.24 Geogrid Uni-Axial 48 2.25 Geogrid Bi-Axial 49 2.26 Geogrid Triax 49 2.27 Tipe dari perkuatan geogrid (a) geogrid wraparound wall;
(b) wall with gabion facing; (c) concrete panel-faced wall 52 2.28 Elemen 1 dimensi Susatio, Yerri. (2004) 55 2.29 Elemen 2 dimensi segitiga dan segiempat Susatio, Yerri. (2004) 55 2.30 Elemen 3 dimensi tetrahedra dan balok Susatio, Yerri. (2004) 56 2.31 Tegangan yang berkerja pada suatu bidang Gere, Timoshenko.(2000) 57 2.32 Diagram tegangan-regangan Indrakto, Rifky. (2007) 64 3.1 Bagan Alir Penelitian 76 4.1 Model Penampang Melintang Lereng. 77 4.2 Lereng yang telah diberi beban, sheet pile, geogrid
dan counterweight. 78 4.3 Tahapan perhitungan 80 4.4 Perhitungan Safety Factor 81
xii
4.5 Deformation Mesh 82 4.6 Kondisi displacement dengan perkuatan sheet pile dan geogrid 82 4.7 Kondisi strain pada lereng dengan perkuatan sheet pile dan geogrid 83 4.8 Displacement pada sheet pile 84 4.9 Displacement pada Geogrid 84 4.10 Kondisi Lereng tanpa beban counterweight 85 4.11 Tahap perhitungan safety factor 86 4.12 Deformation Mesh 87 4.13 Kondisi displacement tanpa counterweight 87 4.14 Kondisi strain pada lereng tanpa counterweight 88 4.15 Displacement pada sheet pile 89 4.16 Displacement pada Geogrid 89 4.17 Kondisi lereng dengan penambahan panjang sheet pile 91 4.18 Tahap perhitungan faktor keamanan 92 4.19 Deformation Mesh 93 4.20 Kondisi displacement dengan penambahan panjang sheet pile 93 4.21 Kondisi strain pada lereng dengan penambahan panjang sheet pile 94 4.22 Displacement pada sheet pile 95 4.23 Displacement pada Geogrid 95 4.24 Kondisi lereng dengan pengurangan panjang sheet pile 96 4.25 Tahapan perhitungan 97 4.26 Deformation Mesh 97
xiii
4.27 Kondisi displacement dengan pengurangan panjang sheet pile 98 4.28 Kondisi strain pada lereng dengan pengurangan panjang sheet pile 98 4.29 Displacement pada sheet pile 99 4.30 Displacement pada Geogrid 100 4.31 Kondisi lereng dengan geogrid yang sebidang 102 4.32 Tahap Perhitungan 103 4.33 Deformation Mesh 104 4.34 Kondisi displacement dengan geogrid yang sebidang 104 4.35 Kondisi strain pada lereng dengan geogrid yang sebidang 105 4.36 Displacement pada sheet pile 106 4.37 Displacement pada Geogrid 106
xiv DAFTAR TABEL
No. Judul Hal
3.1 Data Tanah 66 3.2 Data geogrid yang digunakan 67 3.3 Parameter Geogrid 67 3.4 Data Sheet Pile yang digunakan 67 3.5 Parameter Sheet Pile 68 4.1 Deskripsi tanah 78 4.2 Perbandingan lereng terhadap beban counterweight 90 4.3 Perbandingan lereng berdasarkan panjang sheet pile 101 4.4 Perbandingan lereng berdasarkan pemasangan geogrid 107
xv DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN
A luas bidang
bi L -Lp (garis keruntuhan sesuai dengan bidang longsor Rankine)
c kohesi
Cu koefisien keseragaman
F gaya yang bekerja tegak lurus terhadap potongan
𝐹𝑆𝑛𝑜𝑛−𝑡𝑢𝑙𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 faktor keamanan terhadap kelongsoran lereng tanah non-tulangan
𝐹𝑆𝑡𝑢𝑙𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 faktor keamanan terhadap kelongsoran lereng tanah bertulangan
geogrid
H tinggi dinding penahan HDPE High Density Polyethelene K koefisien tekanan tanah lateral Ka koefisien tekanan tanah aktif
Ko koefisien tekanan tanah dalam keadaan diam Kp koefisien tekanan tanah pasif
L panjang tulangan
MD jumlah momen guling akibat gaya horizontal
Mg momen stabilitas
OCR overconsolidation ratio
PE Polyethylene
PEh tekanan tanah aktif horisontal akibat berat sendiri tanah
PI Indeks Plastis PM Polyamide
xvi
PS Polyester PP Polypropylene
Pq resultan tekanan tanah horisontal akibat beban surcharge Pqh tekanan tanah aktif horizontal akibat beban q
q beban surcharge SF Safety Factor
Tmaks gaya tarik maksimum geogrid untuk setiap lapisan
V volume total Va volume udara
Vs volume butiran tanah Vv volume pori
Vw volume air W berat total tanah Ws berat butiran tanah Ww berat air
W berat struktur dinding penahan
Z kedalaman
∑ 𝑀𝑅 jumlah momen penahan guling
∑ 𝑀𝐷 jumlah momen penyebab guling
𝛾 berat isi tanah γ dry berat isi kering tanah
γ wet berat isi jenuh
δb sudut geser tanah antara tanah dasar dan dasar dinding
xvii
ø sudut geser dalam tanah σv tegangan normal
μ* koefisien geser tampak τ tegangan geser
∆𝑃ℎ gaya horisontal per meter lebar pada dinding setinggi
∆H jumlah dari jarak setengah tinggi tanah bagian atas dan setengah tinggi tanah bagian bawah
σ x tegangan normal yang bekerja pada bidang x
σ y tegangan normal yang bekerja pada bidang y
σ z tegangan normal yang bekerja pada bidang z
τ xy tegangan geser yang bekerja pada bidang normal x dalam arah y
τ xz tegangan geser yang bekerja pada bidang normal x dalam arah z
τ yx tegangan geser yang bekerja pada bidang normal y dalam arah x
τ yz tegangan geser yang bekerja pada bidang normal y dalam arah z {ε} matrik kolom regangan
{u} matriks kolom berisi perpindahan translalasi dan rotasi nodal elemen.
{σ} vektor tegangan
{F} matriks kolom gaya dan momen pada nodal elemen [d] matrik operator dengan peralihan
[E] matriks elastisitas elemen [K] matriks kekakuan elemen.
