INVESTIGASI VISUAL INISIASI LIQUIFAKSI TANAH KEPASIRAN
MENGGUNAKAN SHAKING TABLE TEST
Silvia.F.Herina
Pusat Litbang Permukiman, Badan Litbang Kementerian Pekerjaan Umum, Jl.Panyawungan, Cileunyi wetan,Bandung
Email: silvia_herina@yahoo.com
ABSTRAK
Reaksi deposit tanah kepasiran ketika mengalami getaran gempa dapat dikatakan merupakan masalah yang cukup pelik karena cukup banyak parameter yang harus dipertimbangkan dan fenomenanya yang tidak dapat dimengerti secara tepat. Kajian di bidang geoteknik menunjukkan getaran gempa dapat menginduksi tekanan air pori pada tanah pasir yang jenuh. Kenaikan tekanan pori ini menyebabkan berkurangnya ke-kakuan dan kekuatan tanah yang pada akhirnya dapat menyebabkan keruntuhan yang umum dikenal sebagai pencairan tanah atau liquifaksi. Liquifaksi ini dapat menyebabkan kegagalan tanah dasar fondasi, terutama jika kondisi lapisan permukaan sangat berpotensi untuk mencair. Investigasi lapangan maupun laboratorium dapat dilakukan untuk mengkaji insiasi (dimulainya) kondisi liquifaksi ini, dan berbagai kekurangan atau kelebihan terdapat pada masing-masing metode. Pada tulisan ini di presentasikan kajian secara visual insiasi liquifaksi tanah kepasiran menggunakan “shaking table test”, keuntungan dari meja getar ini adalah dapat di amatinya secara visual fenomena awal liquifaksi dan penurunan tanah, uji ini merupakan salah satu sistem pengujian vibrasi elektrodinamik dengan kisaran frekwensi getaran mulai dari frekwensi yang sangat rendah 1–500 Hz. Hasil kajian menunjukkan bahwa ada korelasi antara kondisi kejenuhan dengan waktu inisiasi liquifaksi. Inisiasi liquifaksi dari sampel yang tampak secara visual melalui uji shaking table terjadi pada durasi getaran yang sama dengan kenaikan tekanan air pori ekses maksimal hasil pengukuran pore pressure transducer.
Kata kunci: gempa, liquifaksi, tanah kepasiran, shaking table, tekanan air pori ekses.
1.
PENDAHULUAN
Kegagalan tanah pada saat kejadian gempa dapat berupa terpecah dan retaknya permukaan tanah ( surface rupture) , terdesaknya lapisan bawah ke atas (uplifting), amblesan tanah (subsidence) , pergerakan lereng, atau pencairan tanah yang dikenal sebagai liquifaksi (liquefaction). Masing-masing pola kegagalan mempunyai fenomena dan ukuran keruntuhan yang berbeda oleh karenanya tingkat kerusakan struktur dan infrastruktur bangunan yang diakibatkannya juga berbeda. Selain besaran gempa, potensi kegagalan tersebut juga sangat dipengaruhi oleh sifat, perilaku dan kondisi lingkungan keberadaan tanah pendukungnya. Bagi tanah kepasiran atau berbutir kasar umumnya keruntuhan yang terjadi adalah berupa peluruhan tanah / liquifaksi atau gelinciran/gerakan butiran yang dikenal dengan cyclic mobiliti.
Ahir-akhir ini banyak gejala liquifaksi yang terjadi pada daerah tepi pantai maupun pada daerah yang jauh dari pantai, seperti yang terlihat pada dampak gempa Yogyakarta Mei 2006 dan gempa Padang September 2009 ( gambar 1 adan b ), kerusakan pasca kegagalan tersebut cukup parah. Hal ini menarik minat banyak para ahli untuk mengkaji makanisme dan mencari solusi pengendaliannya melalui berbagai model dan analisa 129lterna yang intinya adalah upaya mengidentifikasi reaksi deposit tanah ketika mengalami getaran. Kajian ini masih terus berkembang sampai sekarang karena liquifaksi merupakan masalah yang cukup pelik , banyak parameter yang harus dipertimbangkan dan fenomenanya sulit dimengerti secara tepat.
Ada dua cara utama dalam memperkirakan potensi insiasi atau dimulainya liquifaksi, yakni 1). Melalui uji lapangan dengan memanfaatkan data hasil uji Standard Penetration Test ( SPT) atau Cone Penetration Test ( CPT) yang dikenal antara lain metode Seed , metode Shibata dan Terapaksa, serta 2). Melalui uji laboratorium ( cyclic triaxial, simple shear ). Kedua nya mempunyai kelebihan dan kekurangan , 129ltern koreksi untuk alat pukul ( hammer) pada uji SPT atau normalisasi cone pada uji CPT memerlukan pertimbangan tertentu,
Uji laboratorium terhadap deposit tanah merupakan pendekatan yang baik dalam menentukan potensi liquifaksi yang optimal, permasalahannya adalah pada pembuatan model sampel , yakni penentuan beberapa parameter yang harus diminimalkan dampaknya, antara lain faktor ketidak seragaman sampel, faktor deposisi dan riwayat lingkungan dari tanah sampel, dan faktor prakonsolidasi. Oleh karena itu biasanya dilakukan uji lapangan dan laboratorium bersama, analisis diambil melalui rumus-rumus empiris.
Satu hal yang belum dapat diamati dalam kedua uji tersebut adalah peristiwa saat dimulainya kejadian liquifaksi yang secara visual tampak dari dimulainya perubahan volume tanah pada durasi getaran tertentu, dengan pemodelan yang berdasarkan pada korelasi antara respon tekanan air pori dan kecenderungan perubahan volume dari deposit tanah , kajian melalui shaking table dapat digunakan untuk memahami proses ini. Kajian dalam posisi “tidak teralir” selama peningkatan tekanan pori menunjukkan respon tekanan pori langsung dari deposit.
Dalam tulisan ini dibahas secara ringkas model laboratorium perilaku elemen tanah terhadap liquifaksi dan model uji yang menggabungkan antara amplifikasi tanah dan kenaikan tekanan air pori dengan menggunakan
shaking table sebagai alternative pemahaman proses kejadian liquifaksi yang dapat diamati secara langsung.
a. b.
Gambar 1 Kejadian liquifaksi pada gempa Yogyakarta 27 Mei 2006 a. Pelelehan pasir pada suatu sumur
b. Liquifaksi pada fondasi bangunan
2. SHAKING TABLE TEST
Uji dinamik dengan meja getar merupakan pengukuran ekperimental yang dapat digunakan untuk pengamatan secara visual fenomena awal liquifaksi, penurunan dan respon tanah terhadap getaran, dan juga tekanan lateral tanah. Keuntungan dari uji ini adalah dapat dikontrolnya amplitude dan motion dari getaran. Shaking table yang digunakan dalam pengujian ini mempunyai sistem vibrasi elektrodinamik model Shinken, G-9130, dengan kisaran frekwensi getaran mulai dari frekuensi yang sangat rendah, 1 – 500 Hz., pola getarannnya sinusoidal, percepatan getarannya di atur seragam sehingga perambatan gelombang di lapangan dapat disimulasikan dengan baik. (gambar 2). Input percepatan dan frekuensi yang berhubungan dengan durasi sebagai pada gambar 3.
Gambar 2, Shaking table Shinken G-9130, dan set-up sampel.
Untuk dapat mengamati gerakan siklik butiran tanah, dilakukan control kecepatan dan model akselerasinya . Beban terhadap sampel disimulasikan sebagai tegangan geser siklik. Sampel merupakan pasir lepas yang diambil pada kedalaman 7-7,50m dari daerah Tamblingan, Sanur, Denpasar. Hasil uji sondir ( gambar 4) menunjukkan tanah kepasiran yang sangat lepas, gradasi ukuran butir menunjukkan ( gambar 5)
Gambar 3, Tipikal input percepatan dan frekuensi vs durasi
Source : Prasad,S.K. et al
Gambar 4, Profil tanah hasil uji CPT
Gambar 5, Gradasi tanah dan batas ukuran rentan liquifaksi dari Tsuchida 1970.
Batas garis merah : sangat rentan Batas garis kuning : rentan
Sampel dikondisikan dengan kepadatan relatif + 50%, ketebalan lapis tanah 20 cm, dengan ketebalan yang relatif kecil ini diasumsikan bahwa percepatan lapis tanah adalah sama dengan percepatan meja getar ( gambar 6). Sampel kedua merupakan sampel yang dijenuhkan dengan cara pluviasi ( penaburan ) dalam air, tidak dilakukan penjenuhan pengaliran air karena metode ini akan menyebabkan penurunan permukaan lapisan tanah yang lebih besar dibandingkan metode pluviasi ( Mancelly.Yohanes, 2002). Kepadatan relatif sampel kedua 55%.
a. b.
Gambar 6. Sampel pertama, tanah lepas
a. Sampel sebelum digetar b. Sampel setelah digetar 25 detik
Percepatan getaran diambil maksimal 0,5 g, (mulai dari 0 bertahap, kemudian konstan pada 0,5 g ). Pada sampel pertama tidak diambil pengukuran kenaikan tekanan air pori . Pengukuran kepadatan relatif pada bagian tengah lapisan menunjukkan kenaikan + 10%, dan pada bagian tepi + 5%, tidak tampak gejala liquifaksi sampai pada durasi getaran lebih dari 25 detik.
Pada sampel kedua (gambar 7) diberikan percepatan yang sama ( 0,5g), pengukuran tekanan air pori dilakukan dengan pore pressure transducer ( gambar 8) yang dihubungkan dengan kran pada box sampel , tinggi kran 10cm dari dasar box .
Gambar 7. Sampel kedua , tanah jenuh.
Gambar 8, Pore pressure transducer
Inisiasi liquifaksi mulai tampak pada durasi getaran 17 detik, dan mencapai keseluruhan lapisan tanah pada durasi 23 detik ( gambar 9 a,b, dan c ).
tekanan air pori ekses, ∆u (kPa) 0 0.5 1 1.5 0 10 20 30 w aktu, t (detik ) te k a n a n a ir p o ri e k s e s , u ( k P a ) tekanan air pori ekses, ∆u (kPa) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 10 20 30 w akt u, t ( d et ik )
tekanan air pori, u ( kPa) T
a. b. c. Gambar 9, Inisiasi liquifaksi pada sampel kedua
a. Pada saat durasi getaran 17 detik b. Pada saat durasi getaran 20 detik c. Pada saat durasi getaran > 23 detik
Pengukuran tekanan pori dan kenaikan tekanan pori ekses vs durasi getaran digambarkan dalam sketsa berikut :
Gambar 10, Tekanan air pori dan kenaikan tekanan pori ekses.
Proses liquifaksi dinyatakan mulai terjadi ketika tekanan air pori ekses sama dengan tegangan vertical efektif 1 ( Seed & Idriss, 1976) , hampir tidak tampak penurunan pada tanah sampel kedua setelah mengalami liquifaksi.
Gambar 11, Pembuburan tanah merata pada seluruh lapisan
3. EVALUASI & ANALISIS HASIL UJI
Pada tanah yang tidak jenuh, dapat dikatakan tidak tampak inisiasi liquifaksi, tetapi ada gelinciran dan pemadatan, kenaikan kepadatan relatif pada bagian tengah lapisan yang lebih besar dari bagian tepi kemungkinan disebabkan adanya “boundary effect” akibat dinding box sampel. Analisa besaran penurunan pada bagian tengah yang direncanakan ( penghitungan dengan rumusan empiris , Shinken Co) dengan kajian uji mendekati sama, sebagai dapat dilihat berikut :
= 2,76 cm , pengamatan hasil uji menunjukkan penurunan + 3 cm.
Pada tanah pasir jenuh proses inisiasi liquifaksi terjadi pada detik ke 17 dan terjadi merata keseluruh permukaan pada detik ke 23, , pengukuran kenaikan tekanan air pori ekses maksimal tercapai pada detik ke 20, hasil ini mengindikasikan bahwa pengamatan visual melalui shaking table sinkron dengan pengukuran kenaikan tekanan air pori. Setelah melewati maksimal, tekanan air pori berkurang secara substansial, kemungkinan tanah sudah mengalami pelelehan penuh.
(
4. KESIMPULAN DAN SARAN
- Ada hubungan yang signifikan antara tekanan air pori ekses dengan durasi beban getar dan inisiasi liquifaksi , hal ini penting untuk masukkan dalam perencanaan sistem fondasi di daerah gempa.
- Hasil kajian menunjukkan bahwa shaking table dapat digunakan untuk melakukan pengukuran pendugaan inisiasi kejadian liquifaksi, namun ada beberapa hal yang harus dikaji secara lebih mendalam, yakni antara lain keseragaman kepadatan tanah, metode saturasi tanah, dan efek boundary dari box sampel.
- Penggunaan shaking table dapat lebih dikembangkan untuk mengkaji reaksi tanah, soil-structure interaksi , sehingga akan sangat mungkin di formulakan rumusan empiris korelasi antara percepatan, amplitudo, frekuensi getaran dengan perilaku tanah.
DAFTAR PUSTAKA
Casagrande,A.(1976)” Liquefaction and cyclic mobility of sands :a critical review”, Harvard Soil Mechanics Series 88, Harvard University, Cambridge, Massachusetts
I.M.Idriss and R.W. Boulanger, “Semi-Empirical Procedure for Evaluating Liquefaction Potential During Earthquakes” , 2004
Johannes Mancelly,” Simulasi Mekanisme Liquifaksi menggunakan shaking table”, tesis Pasca Sarjana, Unika Parahyangan, 2002
Kramer, Steven.L,” Geotechnical Earthquake Engineering”, Prentice-Hall, Inc, 1996 M.K. Yegian and R.V.Whitman , “Soil Liquefaction Analysis Based on Field Observations”
Peacock, W.Hand Seed, H.B, (1968),” Sand Liquefaction under Cyclic Loading Simple Shear Conditions,” Journal of Soil Mechanics Foundation Division, ASCE, Vol 94, No.SM3,pp 689-708.,
Prasad,S.K et al, “ Shaking table tests in earthquake geotechnical engineering “, Current Science Vol 87, No.10, 25 November 2004.
Rahardjo,Paulus,P.(1993)” Evaluation of Liquefaction Potential, International Advanced Course on EarthquakeEnginering for Building Engineers, JICA-RIHS
Sherif Elfass, Gary Norris, “Soil Liquefaction-Instability during Earthquakes”
Shinken Co, “ Instruction Manual, Vibration Testing System with Horizontal Slip Table “.G-9130
Sianto,Paulus, ” Prediksi Tekanan Air Pori Ekses dan Penurunan akibat Liquifaksi pada Tanah Pasir saat Gempa, “ Tesis Pasca Sarjana Unpar, 2002
Seed,H.B, (1976) ,” Liquefaction Problems in Geotechnical Engineering “, Annual Convention and Exposition, Philadelphia, ASCE
Vaid,Y.P. and Chern,J.C (1985),” Cyclic and monotonic undrained response of saturated sands”, in V.Khosia ed.Advances in the Art of Testing Soils under Cyclic Conditions, ASCE, New York,pp.120-147
