Perbandingan Metode Pembebanan Vakum dan Prapembebanan Untuk Mempercepat Proses Konsolidasi
Stevy Thioritz Abstrak
Analisa perencanaan terdiri dari dua tahapan perencanaan, yaitu perhitungan diameter pengaruh untuk menentukan jarak antara drainase, dan besar derajat konsolidasi untuk setiap interval waktu rencana berdasarkan kondisi axisymmetric. Asumsi yang diambil adalah pembebanan vakum tidak mengalami kehilangan tekanan (no vacuum loss), dan tinggi timbunan untuk prapembebanan ekivalen dengan beban struktur.
Dari hasil analisa data tanah yang akan digunakan untuk kontruksi jalan raya di perumahan Citra Celebes City, Makassar, diperoleh waktu konsolidasi selama 4,5 bulan akibat pembebanan vakum pada tekanan vakum sebesar 60 kPa, dan diameter pengaruh drainase (de) 2,2233 m menghasilkan derajat konsolidasi 90%. Sedangkan
prapembebanan pada kondisi tanah yang sama membutuhkan waktu 6 bulan untuk mencapai besar derajat konsolidasi yang sama, dengan tekanan akibat timbunan sebesar 40 kPa dan diameter pengaruh drainase (de) 1,3072 m.
Kata kunci: Pembebanan Vakum, Prapembebanan, waktu konsolidasi, derajat konsolidasi, pengaruh
A. Pendahuluan
Prinsip metode pembebanan vakum adalah memberikan tekanan negatif ke dalam lapisan bawah tanah melalui drainase vertikal untuk mempercepat proses konsolidasi. Sebelum metode pembebanan vakum dikembangkan, metode pembebanan yang umum dikombinasikan dengan drainase vertikal adalah metode prapembebanan (preloading) yang merupakan pembebanan tambahan berupa timbunan tanah di atas drainase vertikal, akan tetapi metode ini kurang efisien dan memiliki beberapa resiko.
B. RUMUSAN MASALAH
Permasalahan yang diteliti adalah:
a. Apa yang menjadi teori dasar metode pembebanan vakum ?
b. Bagaimana merencanakan PVD / drainase vertikal pracetak dengan metode pembebanan vakum dibandingkan dengan prapembebanan?
c. Bagaimana pelaksanaan metode pembebanan vakum di lapangan?
C. LANDASAN TEORI
Metode pembebanan vakum pertama kali diperkenalkan di Swedia oleh Kjellman (1952) untuk drainase vertikal tipe card board, yang telah sering digunakan untuk mempercepat proses konsolidasi pada perbaikan tanah lunak, seperti pada Philadelphia International Airport di Amerika, Pelabuhan Tianjin di Cina (Holtan; 1965, Yan dan Chu, 2003). Belakangan sistem drainase tipe PVD yang diterapkan untuk mendistribusikan tekanan vakum sampai pada kedalaman lapisan bawah tanah sehingga meningkatkan derajat konsolidasi (Chu, 2000). Yan dan Chu (2003) menyatakan bahwa biaya perbaikan tanah dengan pembebanan vakum berkurang 30% jika hanya ditinjau dari penggantian pembebanan tambahan konvensional (prapembebanan).
Sistem pembebanan ini bertujuan untuk mencapai proses konsolidasi yang lebih cepat tanpa menambahkan tinggi timbunan yang dapat mengakibatkan keruntuhan geser. Seperti yang dapat terjadi dalam kasus prapembebanan terutama bila pada kasus perbaikan tanah lunak dengan kuat geser yang sangat rendah, metode pembebanan vakum merupakan metode yang cocok. Selain itu waktu konstruksi menjadi lebih singkat, tidak memerlukan peralatan berat, tidak ada campuran kimia yang digunakan, sehingga merupakan metode perbaikan tanah yang ramah lingkungan (Chai, 2005).
Keuntungan dari metode pembebanan vakum dibandingkan prapembebanan konvensional dapat diuraikan sebagai berikut (Qian, 1992):
a. Tegangan efektif meningkat seiring dengan peningkatan tekanan isap dan pergeseran lateral tanah dapat ditahan. Dengan demikian keruntuhan geser dapat diminimalisir.
c. Volume tambahan timbunan untuk pembebanan dapat diturunkan dan tetap mencapai besar penurunan yang sama.
Indraratna (2005) memberikan analisa secara luas untuk pembebanan vakum yang dihubungkan dengan PVD. Salah satunya adalah rasio kelebihan tekanan pori (Ru=∆p/ o) pada perbaikan tanah dengan metode drainase vertikal dan mengunakan pembebanan vakum, dapat ditunjukkan oleh persamaan berikut yang telah direvisi:
Ru = - ………... (1)
h = 1 - ………...(2)
μ
= + - 0,75 +π
z(2l– z) ( 1-)
...(3)Bentuk sederhana dari μ dapat diberikan sebagai berikut:
μ
= +- 0,75 +
π
z(2l– z) ...(4)Untuk drainase ideal, smear dan tahanan sumur diabaikan sehingga, persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:
μ = - 0,75 ………...(5) Dengan mengasumsikan po = 0 kedalam persamaan (3), solusi original dari Hansbo (1981) dapat diperoleh, sebagai berikut:
h = (1 -
)
………...(6)dimana:
Po = tekanan vakum pada permukaan tanah dan sepanjang drainase (kPa) k1 = rasio tekanan vakum pada bagian dasar dan bagian atas drainase
VPR = vacuum pressure ratio (rasio tekanan vakum) (Po/ ). uo = kelebihan tekanan pori awal (kPa)
kh = koefisien permeabilitas horisontal tanah dalam zona tak terganggu (m/s)
ks = koefisien permeabilitas horisontal tanah dalam zona terganggu (m/s)
Th = faktor waktu arah horisontal.
de = diameter ekivalen silinder tanah/diameter pengaruh (m)
dw = diameter ekivalen drainase vertikal (m)
s = rasio dari ds/dw.
ds = diameter dari zona terganggu (m) z = kedalaman (m)
l = tebal lapisan tanah/ekivalen panjang drainase vertikal (m) qw = kapasitas aliran drainase (m3/s)
Metode Pelaksanaan Pembebanan Vakum
Tipikal pembebanan vakum ditunjukkan pada gambar 1 (Chu, 2000). PVD dan pipa horisontal digunakan untuk mendistribusikan tekanan vakum dan kehilangan air pori.
Gambar 1. Ilustrasi skema sistem pembebanan vakum (J. Chu, S.Yan, B.Indraratna, 2008)
Keterangan:
(vacuum gauge); 7. Pompa jet; 8. Pompa sentrifugal; 9. Saluran parit; 10. Pipa utama vakum; 11. Membran pembungkus
D. PEMBAHASAN HASIL ANALISA TANAH
Tanah yang diteliti adalah di jalan Hertasning Baru, Makassar, yang akan digunakan sebagai jalan raya dengan klasifikasi kelas 2A. Jalan tersebut adalah jalan utama yang terletak pada kompleks perumahan Citra Celebes City.
Adapun data dan parameter tanah yang adalah sebagai berikut: - Kedalaman tanah keras (kedalaman PVD):17,8 m
- Cv = 3,2 m2/tahun - kh/kv = 1,5
- Ch = 4,8 m2/tahun (berdasarkan rasio kh/kv = 1,5 dapat diperoleh Ch = 1,5 x Cv - kh/ks = 3 (rasio kh/ks dapat berada antara 1,5-3,0 dalam perhitungan ini diambil rasio
maksimum) - uo = 50 kPa
Parameter rencana yang digunakan dalam analisa:
- t = 6 bulan = 0.5 tahun dw = 0,05 m
- s = ds/dw = 3,4 po = 60 kPa = 6 ton/m2
- k1 = 1,0 (tidak mengalami kehilangan vakum)
- Ut = 80% (untuk konsolidasi yang diakibatkan prapembebanan)
1. Beban rencana
Tabel 1. Beban Mati (DL) Akibat Konstruksi Jalan Raya
Perkerasan rencana
Tebal perkerasan (tp) 0.625 Total beban 1430
Beban Hidup (LL) rencana diterapkan berdasarkan beban terbesar dari kendaraan trailer yaitu 42 ton. Distribusi beban ditinjau pada titik maksimun dalam penampang melintang jalan dan diasumsikan sebagai beban persatuan luas.
Gambar 2. Bidang kontak untuk kendaraan dengan roda ganda Dari distribusi beban pada Gambar 2, diperoleh:
Tekanan yang diakibatkan = P/ A = 5,88/2,24 = 2,425 t/m2 Jadi DL + LL = 1,43 + 2,425 = 3,855 t/m2≈ 4,0 t/m2
Beban yang diterapkan oleh prapembebanan ekivalen dengan beban struktur atau beban rencana, sehingga tinggi timbunan untuk metode prapembebanan dapat ditentukan sebagai berikut:
H = Ptot / timb = 4 / 1,9 = 2,1 m ( timb = 1,9 t/m3)
2. Menghitung jarak antara drainase vertikal a. Drainase vertikal prapembebanan
1) Faktor waktu arah vertikal: Tv = = = 0,0051
2) u* = = 0,92
3) Th’ = Ch t / dw2 = 4,8 . 0,5 / 0,052 = 960
4) Nilai faktor gangguan (smear) yang telah dimodifikasi: Faktor = = = 3460,701
α = 0,γ9γ8 – 9,505 x 10-4ξ1,5+ 0,0γ714ξ0,5 = 0,4483 = 0,4203 + 1,456 x 10-3ξ2–0,5βγγξ0,5 = -0,3897 5) Rasio perbandingan de/dw (n) dari persamaan:
n = e (α ln + ) = exp (0,4483 ln 3460,701+ (-0,3897)) = 26,1434 6) Zona pengaruh (de):
de = n dw = 26,1434 x 0,05 = 1,3072 m
7) Pola drainase dan jarak spasi antar drainase (S):
S = de/1,05 = 1,β45 m ………...untuk pola segitiga S = de/1,1β8 = 1,159 m ……….untuk pola segiempat.
b. Drainase vertikal pembebanan vakum
1) Faktor waktu arah vertikal: Tv = = = 0,0051
2) u* = = 0,92
3) Th’ = Ch t / dw2 = 4,8 . 0,5 / 0,052 = 960
4) Derajat konsolidasi yang diakibatkan oleh pembebanan vakum: = =
= ⇒ Ut,vac = 0,5333
5) Nilai faktor gangguan (smear) yang telah dimodifikasi:
Faktor = = = 11315,9672
Faktor ξ = ( -1) ln (s) = (3 – 1) = 2,448 Faktor α dan berdasarkan persamaan:
α = 0,γ9γ8 – 9,505 x 10-4ξ1,5+ 0,0γ714ξ0,5 = 0,4483 = 0,4203 + 1,456 x 10-3ξ2–0,5βγγξ0,5 = -0,3897 6) Rasio perbandingan de/dw (n) dari persamaan:
n = e (α ln + ) = exp (0,4483 ln 11315,9672+ (-0,3897)) = 44,4657 7) Zona pengaruh: de = n dw = 44,4657 x 0,05 = 2,2233 m
S = de/1,05 = β,1174 m ……… ...untuk pola segitiga S = de/1,128 = 1,971 m ………untuk pola segiempat
3. Menghitung waktu konsolidasi
a. Waktu konsolidasi akibat prapembebanan
Faktor gangguan pada drainase vertikal:
μ
=–
0,75 (dengan asumsi qw > 120 m3/tahun, tahanan sumur diabaikan)μ
=ln( )+ 3 ln (3,4) - 0,75 = 4,9612Faktor waktu arah horisontal dengan persamaan: Th =
Substitusi nilai Th untuk setiap interval waktu dengan persamaan: h = (1 - )
Tabel 2. Hasil Perhitungan Th dan Uh Akibat Prapembebanan Waktu (bulan) Faktor waktu (Th) Derajat konsolidasi (Uh)
1 0,2339 0,3142
2 0,4683 0,5301
3 0,7023 0,6778
4 0,9363 0,779
5 1,1705 0,8485
6 1,4045 0,8961
b. Waktu Konsolidasi Akibat Pembebanan Vakum Faktor gangguan (smear) ang pada drainase vertikal (
μ
):μ
=ln( )+ 3 ln (3,4) - 0,75 = 5,4923Faktor waktu arah horisontal: Th =
Tabel 3. Hasil Perhitungan Th dan Uh Pembebanan Vakum
Waktu (bulan) Faktor waktu (Th) Derajat konsolidasi (Uh)
1 0,0809 0,2446
2 0,1619 0,4622
3 0,2428 0,6553
4 0,3237 0,8271
5 0,4046 0,9797
6 0,4855 1,1153
Gambar 3. Grafik Hasil Perbandingan Derajat Konsolidasi Akibat Pembebanan Vakum dan Prapembebanan Terhadap Waktu
E. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan
1. Prapembebanan menghasilkan diameter pengaruh (de) = 1,3072 m, dan untuk waktu rencana 6 bulan dicapai Uh = 90%.
3. Untuk mencapai derajat konsolidasi yang sama, waktu yang dibutuhkan oleh pembebanan vakum lebih singkat daripada prapembebanan, walaupun dalam pelaksanaannya pembebanan vakum lebih kompleks.
4. Kombinasi prapembebanan dan pembebanan vakum dapat dilakukan untuk menangani beban rencana yang besar, meminimalisir kegagalan akibat pergerakan lateral tanah. Pergerakkan lateral keluar (outward) disebabkan prapembebanan dan pembebanan vakum menyebabkan pergerakan ke dalam (inward).
Saran
1. Kondisi tanah sangat lunak yang memiliki resiko keruntuhan geser sangat besar dan beban struktur rencana yang sangat besar, disarankan menggunakan metode pembebanan vakum.
2. Data tanah dari lapangan maupun laboratorium yang akurat serta pelaksanaan di lapangan sangat penting untuk menghindari kegagalan dari penerapan metode ini.
DAFTAR PUSTAKA
A.S. Balasubramaniam, B. Indraratna, C. Rujikiatkamjorn, V. Wijeyakulasuriya. 2005. Predictions and observations of soft clay foundations stabilized with geosynthetic drains and vacuum surcharge. (Online), (http://ro.uow.edu.au/engpapers/191, diakses 24 juni 2011).
B. Indraratna, C. Rujikiatkamjorn, H. Khabbaz, I Sathananthan, M. Shahin. 2005. Analytical and numerical solution for soft clays consolidations using geosynthetic vertical drains with special reference to embankment. (Online), (http://ro.uow.edu.au/engpapers/197, diakses 12 juli 2011).
B. Indraratna, J. Chu, S. Yan. 2008. Vacuum Preloading Techniques-Recent Development and Applications. (Online), (http://ro.uow.edu.au/engpapers/197, diakses 15 juli 2011).
Hardiyatmo, H. C. 2007. Mekanika Tanah I, jilid ketiga. Gadjah Mada University Press, Yogyakarta.
Hardiyatmo, H. C. 2007. Mekanika Tanah 2, jilid keempat. Gadjah Mada University Press, Yogyakarta.
Sukirman ,S. 1992. Perkerasan Lentur Jalan Raya. NOVA, Bandung.
