TUGAS AKHIR
KAJIAN PENURUNAN TANAH AKIBAT TIMBUNAN PADA PROYEK JALAN TOL MEDAN – KUALANAMU BH I (STA 35
+ 901) DENGAN METODE ELEMEN HINGGA
Diajukan untuk melengkapi syarat penyelesaian pendidikan sarjana teknik sipil
ANGGI BADIA RAJA SIHITE 100404106
DOSEN PEMBIMBING :
IKA PUJI HASTUTY S.T, M.T NIP: 197708072008122002
BIDANG STUDI GEOTEKNIK DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2015
ABSTRAK
Konsolidasi merupakan proses keluarnya air dari dalam tanah melalui rongga pori. Konsolidasi terjadi pada tanah lunak atau tanah yang tidak stabil yang memungkinkan untuk dilakukan perbaikan tanah agar tanahnya lebih stabil.
Metode penggunaan Prefabricated Vertical Drain (PVD) merupakan salah satu cara untuk memperbaiki tanah yang tidak stabil. PVD yang sistem kerjanya seperti kolom pasir yang dapat mengalirkan air secara vertikal.
Studi ini bertujuan untuk mengetahui besar penurunan, tekanan air pori yang terjadi serta laju konsolidasi tanah dengan Prefabricated Vertical Drain (PVD) dan tanpa PVD secara analitis dan metode elemen hingga yang berpengaruh pada lamanya waktu penurunan tanah hingga mencapai konsolidasi 90 % atau dengan kata lain tanah tidak mengalami penurunan lagi atau penurunan dianggap nol.
Berdasarkan hasil perhitungan secara analitis terjadi penurunan sebesar 0,467 m sedangkan secara metode elemen hingga sebesar 0,448 m. Dan laju konsolidasi hingga 90 % secara analitis dengan PVD adalah 59 hari dan tanpa PVD adalah 115 hari. Laju konsolidasi 90 % secara metode elemen hingga dengan PVD adalah 63 hari sedangkan tanpa PVD adalah 110 hari. Dan besar tekanan air pori yang terjadi sebesar 3,824 KN/m2.
Dari perhitungan tersebut dapat disimpulkan bahwa penggunaan PVD dapat mempercepat waktu konsolidasi tanah.
Kata Kunci : Konsolidasi tanah, Prefabricated Vertical Drain, Metode elemen hingga
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa, atas berkat dan karunia-Nya lah sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik.
Tugas akhir ini merupakan syarat untuk mencapai gelar sarjana Teknik Sipil bidang studi struktur Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, dengan judul :
“KAJIAN PENURUNAN TANAH AKIBAT TIMBUNAN PADA PROYEK JALAN TOL MEDAN – KUALANAMU BH I (STA 35 + 901) DENGAN
METODE ELEMEN HINGGA”
Dalam penulisan Tugas Akhir ini, penulis menghadapi berbagai kendala, tetapi karena bantuan dari berbagai pihak penulisan Tugas Akhir ini dapat terselesaikan.
Pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada :
1. Ibu Ika Puji Hastuti, ST, MT sebagai Dosen Pembimbing yang telah dengan sabar memberi bimbingan dan saran kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas akhir ini.
2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johanes Tarigan, sebagai Ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Ir. Syahrizal, MT, sebagai Sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. Rudi Iskandar, MT. dan Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE sebagai Dosen Pembanding dan Penguji Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
5. Bapak dan Ibu Staf pengajar dan seluruh pegawai Departemen teknik Sipil 6. Kedua orang tua saya Drs. Luhut Sihite dan Dra. Benarita Purba M.Hum yang
penuh dengan kasih sayang dan sabar meberi dukungan kepada saya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
7. Kepada kakak dan adik saya yang selalu siap mendukung dan mengingatkan saya serta membatu saya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini Gita Wilna Yesica Sihite dan Grace Molek Lusita Sihite
8. Kepada seluruh sahabat Teknik Sipil stambuk 2010 ; Hopnagel Sinaga, Tohap Pakpahan, Elwis Sitorus, Boby Hutapea, Rebekka Silalahi, Elfry Saragih, Rizky Siagian, Fransiskus Pinem, Fander Simanjuntak, Yahya Hia, ,Granson Tumorang, Alfian Simbolon, Arby Sihite, Lamhot Sihotang, Rizal Sihite, Dice Dachi, Michael Tambunan, Steven Rajagukguk, Ab Azis Oemry, Muhammad Taufiq, Anrico Manurung, Bram Siallagan, Syamsul Bahri, dan kawan yang tak dapat disebut satu per satu
9. Kepada mentor saya selama menyelesaikan Tugas akhir ; Evand Simorangkir, Prisquilla Sembiring, Kakak Heddy Sianipar, Kakak Afryanti Sembiring
10. Rekan dan sahabat saya stambuk 2010 ; Agave Manullang dalam menyelesaikan Tugas Akhir kami.
11. Rekan-rekan mahasiswa dan adik-adik stambuk yang telah memberikan motivasi dan segala kekerabatan serta kerja sama selama pendidikan di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
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.
Medan, Juli 2016 Anggi Badia Raja Sihite
10 0404 106
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR... ii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... viii
DAFTAR GAMBAR... ix
DAFTAR NOTASI ... xi
DAFTAR LAMPIRAN... xiv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Identifikasi Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian. ... 2
1.4 Pembatasan Masalah ... 3
1.5 Metode Penelitian ... 3
1.6 Sistematika Penulisan . ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Tanah... 6
2.1.1 Sistem Unified Soil Classification System (USCS) ... 8
2.2 Konsolidasi... 10
2.2.1 Konsolidasi Satu Dimensi... 10
2.2.2 Konsolidasi Radial... 15
2.2.3 Penurunan (settlement) ... 17
2.2.3.1 Immadiate Settlement – Penurunan Seketika... 18
2.2.3.2 Primary Consolidation – Konsolidasi Primer ... 19
2.2.3.3 Secondary Consolidation – Konsolidasi Sekunder... 22
2.2.4 Waktu Konsolidasi... 23
2.2.5 Koefisien Pemampatan (Coefficient of Compression, av)... 26
2.2.6 Indeks Pemampatan / Compression Index (Cc) ... 27
2.2.7 Koefisien Konsolidasi Arah Vertikal (Cv) ... 28
2.2.8 Log - Time Fitting Method ... 28
2.2.9 Square Root Time Method... 29
2.3 Drainase Vertikal ... 30
2.3.1 Jenis Drainase Vertikal ... 31
2.3.1.1 Drainase Vertikal Konvensional... 31
2.3.1.2 Drainase Vertikal Sintetik ... 32
2.3.2 Sifat-sifat dari Filter pada PVD ... 37
2.3.3 Penggunaan PVD ... 40
2.3.4 Faktor yang Mempengaruhi Efisiensi Pengaliran ... 43
2.3.5 Proses Pemasangan PVD Dilapangan ... 44
2.4 Metode Elemen Hingga... 46
2.4.1 Metode Elemen Hingga 2D V 8.2... 49
2.4.2.1 Proses Input Data... 50
2.4.2.2 Proses Penghitungan... 52
2.4.2.3 Hasil... 52
BAB III METODE PENELITIAN... 54
3.1 Deskripsi Proyek ... 54
3.2 Data Teknis Drainse Vertikal... 55
3.3 Tahap Penelitian... 56
3.3.1 Skema Tahap Penelitian ... 58
BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN ... 59
4.1 Pendahuluan ... 59
4.2 Perhitungan Penurunan Tanah Secara Analitis ... 59
4.2.1 Besar Penurunan Tanah ... 60
4.2.2 Laju Waktu Mencapai Konsolidasi 90% Dengan PVD dan Tanpa PVD... 63
4.3 Perhitungan Penurunan Dengan Metode Elemen Hingga... 69
4.3.1 Input Data... 69
4.3.2 Kalkulasi (Calculation) ... 72
4.3.3 Hasil (Output) ... 74
4.3.3.1 Penurunan Tanah Dengan Metode Elemen Hingga ... 74
4.3.3.2 Waktu Konsolidasi Dengan PVD dan Tanpa PVD dengan Metode Elemen Hingga... 75
4.3.3.3 Tekanan Air Pori Terhadap Waktu Selama Konsolidasi... 80
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 82
5.1. Kesimpulan ... 82
5.2. Saran... 83
DAFTAR PUSTAKA ... 84
LAMPIRAN……….. 86
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Jenis Tanah USCS...8
Tabel 2.2 Sistem Klasifikasi Tanah USCS ...9
Tabel 2.3 Hubungan Faktor Waktu Terhadap Derajat Konsolidasi...26
Tabel 2.4 Jenis Drainase Vertikal ...36
Tabel 2.5 Jenis – jenis Model Material ...48
Tabel 4.1 Laju Konsolidasi Mencapai 90 % Secara Analitis...68
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konsolidometer ... 11
Gambar 2.2 Grafik Hubungan ∆H Terhadap log t ... 13
Gambar 2.3 Variasi Tegangan Total, Tegangan Air Pori,dan Tegangan Efektif ... 20
Gambar 2.4 Grafik Hubungan Angka Pori dan Waktu ... 22
Gambar 2.5 Indeks Pemampatan Cc... 27
Gambar 2.6 Log – Time Fitting ( Casagrande , 1940 )... 29
Gambar 2.7 Square Root of Time Method... 29
Gambar 2.8 Sand Drain dan Horizontal Blanket Drain ... 32
Gambar 2.9 PVD... 34
Gambar 2.10 Kombinasi Pemasangan PVD dengan preloading ... 42
Gambar 2.11 PVD dikaitkan ke plat baja... 44
Gambar 2.12 Pemasangan PVD... 46
Gambar 2.13 Tampilan Awal General Setting ... 51
Gambar 2.14 Tampilan Proses Perhitungan... 52
Gambar 2.15Tampilan Hasil Akhir Penurunan... 53
Gambar 3.1 Lokasi Proyek... 55
Gambar 3.2 Alur Penelitian... 58
Gambar 4.1 Potongan Melintang Tanah ... 70
Gambar 4.2 Input Data Metode Elemen Hingga... 71
Gambar 4.3 Kalkulasi Pada Metode Elemen Hingga... 74
Gambar 4.4 Penurunan Tanah Pada Metode Elemen Hingga... 75
Gambar 4.5 Titik yang Ditinjau Pada Metode Elemen Hingga ... 75
Gambar 4.6 Grafik Penurunan Terhadap Waktu Pada Titik A ... 76
Gambar 4.7 Grafik Penurunan Terhadap Waktu Pada Titik B ... 76
Gambar 4.8 Grafik Penurunan Terhadap Waktu Pada Titik C ... 77
Gambar 4.9 Grafik Penurunan Terhadap Waktu Pada Titik D ... 77
Gambar 4.10 Grafik Penurunan Terhadap Waktu Pada Titik E... 78
Gambar 4.11 Grafik Penurunan Terhadap Waktu Pada Titik F... 78
Gambar 4.12 Grafik Penurunan Terhadap Waktu Pada Titik G ... 79
Gambar 4.13 Grafik Penurunan Terhadap Waktu Pada Titik A,B,C,D,E,F,G ... 79
Gambar 4.14 Grafik Penurunan Terhadap Waktu Tanpa PVD... 80
Gambar 4.15 Grafik Tekanan Air Pori Terhadap Waktu ... 81
DAFTAR NOTASI
av Koefisien Pemampatan
c Kohesi
Ca Indeks Pemampatan Sekunder Cr Koefisien Konsolidasi Arah Radial Cc Indeks Pemampatan
Cv Koefisien Konsolidasi de Diameter Ekivalen
dm Diameter Ekivalen Mandrel ds Diameter Smear Zone dw Diameter Drainase Vertikal E Modulus Young
e Angka Pori e0 Angka Pori Awal H Tebal Lapisan Tanah
Hdr Panjang Maksimum Aliran Tanah i Gradien Hidrolik
k Koefisien Permeabilitas
ks Koefisien Permeabilitas Arah Radial Pada Smear Zone kr Koefisien Permeabilitas Arah Radial
kx Koefisien Permeabilitas Arah Horizontal ky Koefisien Permeabilitas Arah Vertikal LL Batas Cair
mv Koefesien Pemampatan Volume
p Tekanan
Pc Tekanan Prakonsolidasi r Jari – jari Drainase Vertikal rs Jari – jari Smear Zone rw Jari – jari Sand Drain
Sp Penurunan Konsolidasi Primer Sc Penurunan Konsololidasi Sekunder
t Waktu
Tv Faktor Waktu Arah Vertikal Tr Faktor Waktu Arah Radial
T50,t90 Waktu Untuk Mencapai Konsolidasi 50 % dan 90 % U Derajat Konsolidasi
u Tekanan Air Pori
vz Kecepatan Aliran Pada Sumbu z
Poisson Ratio V Volume Total
Vs Volume Butiran Padat Vv Volume Pori
w Kadar Air
y Kedalaman Peninjauan Konsolidasi σ’0 Tegangan Vertikal Efektif Awal
Δ σ’ Penambahan Tegangan Vertikal Efektif Δe Penambahan Angka Pori
ΔH Penambahan Tinggi Δp Penambahan Tekanan
Δu Penambahan Tekanan Air Pori Δv Penambahan Volume
Berat Volume Tanah Basah
dry Berat Volume Tanah Kering
sat Berat Volume Jenuh Air
Sudut Geser Dalam Tanah
Dilatasi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Data SPT
Lampiran 2 Data Consolidation
Lampiran 3 Data Direct Shear
Lampiran 4 Data Hasil Uji Tanah
Lampiran 5 Data Prefabricated Vertical Drain ( PVD )
Lampiran 6 Parameter Tanah Pada PLAXIS
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Geoteknik merupakan bidang dalam teknik sipil yang mendalami pekerjaan yang berhubungan dengan tanah. Dalam proses pekerjaan tanah sering ditemukan permasalahan geoteknik, seperti daya dukung tanah yang rendah yang ditemukan pada tanah lunak dan penurunan akibat pembebanan. Beban diatas permukaan tanah tersebut mengakibatkan tanah dibawahnya mengalami pemampatan.
Pemampatan (konsolidasi) adalah proses keluarnya air dari dalam tanah melalui rongga pori. Pada saat konsolidasi, tegangan tanah pada saat awal pembebanan sepenuhnya ditanggung oleh tekanan air pori dan secara perlahan akan ditransfer ke tegangan efektif tanah, sehingga tanah mengalami peningkatan kekuatan dan daya dukung tanah. Dengan demikian, konstruksi bangungan yang berdiri diatas tanah lunak perlu diperhatikan besarnya penurunan yang akan terjadi untuk mendapatkan daya dukung yang cukup baik. Maka, proses konstruksi baiknya dilaksanakan setelah tanah terkonsolidasi secara sempurna.
Sehingga diperlukan metode perbaikan tanah untuk mengatasi masalah tersebut.
Pemilihan teknik perbaikan tanah dipengaruhi oleh lapisan tanah, karakteristik tanah, biaya, ketersediaan material dan pengalaman. Salah satu teknik perbaikan tanah yang sering digunakan pada permasalahan tanah lunak adalah pembebanan awal (preloading) dan dengan drainase vertikal (vertical drain).
Pembebanan awal (preloading) adalah metode perbaikan tanah dengan memberikan tambahan beban pada lokasi konstruksi hingga dicapai konsolidasi yang diinginkan. Pelaksanaan metode ini diterapkan dengan penggunaan Prefabricated Vertical Drain (PVD). PVD ini sendiri merupakan material geosintetik yang konsep kerjanya seperti kolom pasir yang dapat mengalirkan air secara vertical. Dengan adanya vertical drain waktu yang diperlukan untuk mengeluarkan air dari tanah lebih cepat dan tanah terkonsolidasi lebih cepat pula.
Kasus penurunan seperti yang dijelaskan diatas sering terjadi pada tanah lempung. Pada tugas akhir ini perhitungan yang dilakukan juga lebih dikonsentrasikan pada tanah lempung.
1.2 Identifikasi Masalah
Pada pembangunan akses jalan tol lubuk pakam – kualanamu dijumpai permasalahan geoteknik yang perlu diperhatikan. Nilai SPT yang rendah pada hampir setiap lapisan tanahnya harus mendapatkan perlakuan khusus sesuai karakteristik tanahnya.
Adapun masalah yang akan diuraikan ialah :
1. Besar penurunan dengan preloading dikombinasi dengan PVD 2. Waktu konsolidasi untuk mencapai konsolidasi 90 %
3. Besar tekanan air pori selama konsolidasi
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penulisan tugas akhir ini ialah
Menganalisis penurunan yang terjadi pada timbunan dengan menggunakan teori konsolidasi satu dimensi dan dengan metode elemen hingga
Membandingkan hasil perhitungan waktu konsolidasi dengan PVD dan tanpa PVD secara analitis dan metode elemen hingga
Menganalisis besar tekanan air pori terhadap waktu selama konsolidasi dengan metode elemen hingga
1.4 Pembatasan Masalah
Pada tugas akhir ini, permasalahan yang berhubungan dengan geoteknik akan dibatasi antara lain :
Data yang ditinjau adalah pada bore no. BH – 1 (STA 35 + 901)
Besar penurunan dibatasi pada penurunan akibat konsolidasi primer
Analisa waktu konsolidasi dibandingkan antara menggunakan PVD dan tanpa PVD
Model yang digunakan adalah Mohr – Coloumn
Tidak dibandingkan dengan hasil di lapangan
Tidak ada proses verifikasi PVD
1.5 Metode Penelitian
Dalam penulisan Tugas Akhir ini dilakukan beberapa cara untuk dapat mengumpulkan data yang mendukung agar Tugas Akhir ini diselesaikan dengan baik. Beberapa cara yang dilakukan antara lain :
1. Studi Literatur
Memperoleh data yang berhubungan dengan data teknis timbunan dan perkuatan tanah dengan kombinasi prefabricated vertical drain (PVD) dari tugas akhir yang sudah pernah dipublikasi serta buku – buku dari perpustakaan yang berkaitan dengan tugas akhir ini
2. Pengambilan Data
Data yang dibutuhkan dalam pengerjaan tugas akhir ini diambil dari proyek jalan tol Medan – Kualanamu khususnya pada BH – I (STA 35 + 901). Data – data yang didapat diperoleh dari pihak kontraktor yang bertanggung jawab di Parbarakan Lubukpakam, yaitu PT. CHEC - CSCEC - HK – JO
3. Studi Kasus
Data-data yang didapat kemudian diolah untuk memperoleh nilai penurunan dari proyek yang ditinjau berdasarkan perbandingan analitik dan metode elemen hingga.
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk memperjelas tahapan yang dilakukan dalam studi ini, di dalam penulisan tugas akhir ini dikelompokkan ke dalam 5 (lima) bab dengan sistematika pembahasan sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Merupakan bingkai studi atau rancangan yang akan dilakukan meliputi tinjauan umum, latar belakang,lokasi penelitian, perumusan masalah penelitian, tujuan penelitian, manfaat penelitian, pembatasan masalah dan sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Merupakan kajian berbagai literatur serta hasil studi yang relevan dengan pembahasan ini. Dalam hal ini bab ini berisi konsep vertikal drain, konsolidasi, serta hubungannya dengan air pori.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisikan tentang metode yang dipakai dalam penelitian ini, termasuk pengambilan data, langkah penelitian, analisa data, serta pemilihan wilayah penelitian
BAB IV ANALISIS DATA
Berisikan pembahasan mengenai data-data yang dikumpulkan, lalu di analisis dan dibandingkan dengan metode elemen hingga sehingga dapat diperoleh kesimpulan
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Merupakan penutup yang berisikan tentang kesimpulan yang telah diperoleh dari pembahasan pada bab sebelumnya, dan saran mengenai hasil penelitian yang dapat dijadikan masukan.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tanah
Tanah didefinisikan sebagai material yang terdiri dari agregat (butiran) mineral-mineral padat yang tidak tersementasi (terikat secara kimia) satu sama lain dan dari bahan-bahan organik yang telah melapuk (berpartikel padat) disertai dengan zat cair dan gas yang mengisi ruang-ruang kosong di antara partikel- partikel padat tersebut. (Braja M. Das)
Adapun jenis – jenis tanah, seperti berikut : Fraksi - fraksi tanah (Jenis tanah berdasarkan butir) :
1. kerikil (gravel) > 2,00 mm
2. pasir (sand) 2,00 - 0,06 mm
3. lanau (silt) 0,06 - 0,002 mm
4. lempung (clay) < 0,002 mm
Pengelompokan jenis tanahdalam praktek berdasarkan campuran butir :
1. Tanah berbutir kasar adalah tanah yang sebagian besar butir-butir tanahnya berupa kerikil dan pasir
2. Tanah berbutir halus adalah tanah yang sebagian besar butir-butir tanahnya berupa lempungdan lanau
3. Tanah organik adalah tanah yang cukup banyyak mengandung bahan-bahan organik
Pengelompokan tanah berdasarkan sifat lekatnya :
1. Tanah Kohesif adalah tanah yang mempunyai sifat lekatan antara butir-butirnya (mengandung lempung cukup banyak).
2. Tanah Non Kohesif adalah tanah yang tidak mempunyai atau sedikit sekali lekatan antara butir - butirnya (hampir tidak mengandung lempung misal pasir).
3. Tanah Organik adalah tanah yang sifatnya sangat dipengaruhi oleh bahan - bahan organik (sifat tidak baik).
Sistem klasifikasi tanah dibuat pada dasarnya untuk memberikan informasi tentang karakteristik dan sifat-sifat fisis tanah. Karena variasi sifat dan perilaku tanah yang begitu beragam, sistem klasifikasi secara umum mengelompokan tanah ke dalam kategori yang umum dimana tanah memiliki kesamaan sifat fisis.
Klasifikasi tanah juga berguna untuk studi yang lebih terperinci mengenai keadaan tanah tersebut serta kebutuhan akan pengujian untuk menentukan sifat teknis tanah seperti karakteristik pemadatan, kekuatan tanah, berat isi dan sebagainya (Bowles, 1989).
Sistem klasifikasi bukan merupakan sistem identifikasi untuk menentukan sifat-sifat mekanis dan geoteknis tanah. Karenanya, klasifikasi tanah bukanlah satu-satunya cara yang digunakan sebagai dasar untuk perencanaan dan
perancangan konstruksi. Adapun sistem klasifikasi tanah yang telah umum digunakan adalah :
2.1.1 Sistem Unified Soil Clasification System (USCS).
Dalam sistem ini, Cassagrande membagi tanah atas 3 (tiga) kelompok (Sukirman, 1992) yaitu :
1. Tanah berbutir kasar, < 50% lolos saringan No. 200.
2. Tanah berbutir halus, > 50% lolos saringan No. 200.
3. Tanah organik yang dapat dikenal dari warna, bau dan sisa-sisa tumbuh tumbuhan yang terkandung di dalamnya.
Tabel 2.1 Jenis Tanah USCS
W = Well Graded (tanah dengan gradasi baik), P = Poorly Graded (tanah dengan gradasi buruk), L = Low Plasticity (plastisitas rendah, LL<50), H = High Plasticity (plastisitas tinggi, LL> 50).
Tabel 2.2 Sistem Klasifikasi Tanah USCS
(Sumber : Brockenbrough,dkk 2003)
2.2 Konsolidasi
Konsolidasi adalah suatu proses berkurangnya volume atau berkurangnya rongga pori dari tanah jenuh yang berpermeabilitas rendah akibat pembebanan, dimana prosesnya dipengaruhi oleh kecepatan terperasnya air pori keluar dari rongga tanahnya.
Bila suatu lapisan tanah jenuh yang kemampuan tanah dalam meloloskan air (permeabilitas) rendah di beri beban, maka tekanan air pori dalam tanah tersebut akan segera bertambah. Perbedaan tekanan air pori pada lapisan tanah, berakibat air mengalir ke lapisan tanah dengan tekanan air pori yang lebih rendah, yang diikuti penurunan tanahnya. Karena permeabilitas tanah yang rendah proses ini membutuhkan waktu. Konsolidasi adalah proses berkurangnya rongga pori dari tanah jenuh yang berpermeabilitas rendah akibat pembebanan. Proses terjadinya dipengaruhi oleh kecepatan “ terperasnya “ air pori keluar dari rongga tanahnya.
2.2.1 Konsolidasi Satu Dimensi
Untuk konsolidasi satu dimensi, Terzaghi memberikan cara penentuan distribusi kelebihan tekanan hidrostatis dalam lapisan yang sedang mengalami konsolidasi pada sembarang waktu sesudah bekerjanya beban, beserta derajat konsolidasinya .
Prosedur untuk melakukan uji konsolidasi satu dimensi pertama-tama diperkenalkan oleh Terzaghi. Uji tersebut dilakukan di dalam konsolidometer (kadang-kadang disebut sebagai oedometer). Skema konsolidometer ditunjukkan dalam gambar, Contoh tanah diletakkan di dalam cincin logam dengan dua buah batu berpori diletakkan di atas dan di bawah contoh tanah tersebut, ukuran contoh
tanah yang digunakan biasanya adalah diameter 2,5 inci (63,5 mm) dan tebal 1 inci (25,4 mm). Pembebanan pada contoh tanah dilakukan dengan cara meletakkan beban pada ujung sebuah balok datar, dan pemampatan (compression) contoh tanah diukur dengan menggunakan skala ukur dengan skala mikrometer.
Contoh tanah selalu direndam air selama percobaan. Tiap-tiap beban biasanya diberikan selama 24 jam. Setelah itu, beban dinaikkan sampai dengan dua kali lipat dari sebelumnya, dan pengukuran pemampatan diteruskan.
Gambar 2.1 Konsolidometer Sumber : (Das, B. M, 1995)
Angka pori pada akhir setiap periode penambahan tekanan (beban) dapat dihitung dari pembacaan arloji pengukur dan begitu pula halnya dengan kadar air (water content) atau berat kering (dry weight) dari contoh tanah pada akhir pengujian.
Beberapa asumsi dalam menganalisa konsolidasi satu dimensi yaitu : 1. Tanah adalah homogen
2. Tanah lempung dalam keadaan jenuh sempurna 3. Partikel padat dan air tidak mudah mampat.
4. Arah pemampatan dan aliran air pori adalah vertikal ( satu dimensi ) 5. Regangan kecil
6. Hukum Darcy berlaku pada seluruh gradient hidrolik ( i )
7. Koefisien permebilitas ( k ) dan koefesien pemampatan volume ( mv ) tetap konstan selama prosesnya
8. Ada hubungan khusus yang tak tergantung waktu, antara angka pori dan tegangan efektif
Ada tiga tahapan yang berbeda yang diperoleh dari hasil percobaan konsolidasi, yaitu :
Tahap I : Pemampatan awal (initial compression), yang pada umumnya disebabkan oleh pembebanan awal (preloading).
Tahap II : Konsolidasi primer (primary consolidation), yaitu periode selama tekanan air pori secara lambat laun dipindahkan ke dalam tegangan efektif, sebagai akibat dari keluarnya air dari pori-pori tanah.
Tahap III : Konsolidasi sekunder (secondary consolidation), yang terjadi setelah tekanan air pori hilang seluruhnya. Pemampatan yang terjadi di sini disebabkan oleh penyesuaian yang bersifat plastis dari butir-butir tanah
Gambar 2.2 Grafik Hubungan ∆H Terhadap log t ( Sumber : Das, B. M, 1995 )
Persamaan matematis konsolidasi 1-D Terzaghi berbentuk parabolik dengan formula sebagai berikut :
2 2
y C u t u
v
(2.1)
dimana ;
u = tekanan air pori yang berlebihan (kN/m2)
t = waktu peninjauan (dtk)
y = kedalaman peninjauan (m)
t u
= turunan pertama tekanan air pori yang berlebihan terhadap waktu
2 2
y u
= turunan kedua tekanan air pori yang berlebihan terhadap kedalaman
Solusi umum persamaan ini adalah :
m Y
m Exp
W m Tv
m T
Y (2 1)
sin 2 )
1 2 (
1
4 (2 1) /4
0 , 2
2
2
(2.2)
Dengan derajat konsolidasi vertikal (Uv) :
Uv =
4 Tv π
1+(4Tv/π)2,8 0,179 (2.3)
Dengan m = bilangan integer ; 2 H
t
Tv cv (faktor waktu) (2.4)
Besar penurunan primer terjadi :
' ) ' log( '
1
0
0 o
c
p e
H S C
(2.5)
dimana : σ’0 = tegangan vertikal efektif awal (kN/m2)
Δ σ’ = tambahan tegangan vertikal efektif (kN/m2)
Cc = indeks pemampatan (compression index) (-)
H = tebal lapisan (m)
e0 = angka pori awal (-)
Pemakaian rumusan ini, nilai koefisien konsolidasi (Cv) dianggap konstan selama konsolidasi berlangsung, walaupun pada kondisi sebenarnya dari hasil percobaan konsolidasi di laboratorium menunjukkan nilai Cv yang tidak konstan melainkan tergantung terhadap besar tegangan yang bekerja.
w e w s
d n d
r S r
n n n
n n n F
22 2 2
4 1 ) 3
1 ln(
) (
2.2.2 Konsolidasi Radial
Konsolidasi radial akan terjadi dalam situasi-situasi yang meliputi drainase terhadap suatu sumber pusat, seperti pada suatu drainase vertikal yang dipakai di bawah timbunan untuk mempercepat drainase air pori dengan mengurangi jarak drainase dan karena itu juga mempercepat konsolidasi.
Persamaan konsolidasi untuk drainase arah radial sebagai berikut :
r r
u r
C u t u
r
1
2 2
dimana : Cr= koefisien konsolidasi arah radial (cm2/dtk)
r = jari-jari drainase vertikal (cm)
Dengan menganggap adanya efek smear zone dan diselesaikan dengan cara equal-strain consolidation (Barron, 1948) maka penyelesaian persamaan konsolidasi radial sebagai berikut :
F = F (n) + F (s) (2.6)
dimana :
F(s) =
−
1 ln) / 8
1 ( T F r
e r
U
Pada umumnya n>20 sehingga dapat dianggap l/n=0 jadi, rumusan F(n) akan menjadi rumusan sederhana yaitu :
F(n) = ln(n) -3/4 (2.7)
atau
F(n) = ln (de/dw) -3/4
de= diameter ekivalen (setelah penampang diubah menjadi bentuk lingkaran) (m) dw= diameter drainase vertikal (m)
rs= jari-jari smear zone (m) rw= jari-jari sand drain (m)
ks= koefisien permeabilitas arah radial pada smear zone = (1-15)kr (m/dtk)
kr= koefisien permeabilitas arah radial = (1-15)kv(m/dtk)
Cr= Cv(kr/kv) (cm2/dtk)
2 e r
r d
t
T C (-) (2.8)
Efek smear zone adalah berkurangnya nilai koefisien untuk tanah lempung di dekat drainase vertikal atau diameter drainase vertikal yang digunakan diperkecil, hal ini disebabkan proses peremasan (remoulding) selama pemasangan drainase vertikal dengan menggunakan paksi.
2.2.3 Penurunan (Settlement)
Bila suatu lapisan tanah mengalami pembebanan akibat beban di atasnya, maka tanah di dibawah beban yang bekerja tersebut akan mengalami kenaikan tegangan, ekses dari kenaikan tegangan ini adalah terjadinya penurunan elevasi tanah dasar (settlement). Pembebanan ini mengakibatkan adanya deformasi partikel tanah, relokasi partikel tanah, dan keluarnya air pori dari tanah yang disertai berkurangnya volume tanah. Hal inilah yang mengakibatkan terjadinya penurunan tanah.
Pada umumnya tanah, dalam bidang geoteknik, dibagi menjadi 2 jenis, yaitu tanah berbutir dan tanah kohesif. Pada tanah berbutir (pasir/sand), air pori dapat mengalir keluar struktur tanah dengan mudah, karena tanah berbutir memiliki permeabilitas yang tinggi. Sedangkan pada tanah kohesif (clay), air pori memerlukan waktu yang lama untuk mengalir keluar seluruhnya. Hal ini disebabkan karena tanah kohesif memiliki permeabilitas yang rendah.
Secara umum, penurunan dapat diklasifikasikan menjadi 3 tahap, yaitu :
1. Immediate Settlement (penurunan seketika), diakibatkan dari deformasi elastis tanah kering, basah, dan jenuh air, tanpa adanya perubahan kadar air. Umumnya, penurunan ini diturunkan dari teori elastisitas. Immediate settlement ini biasanya terjadi selama proses konstruksi berlangsung.
Parameter tanah yang dibutuhkan untuk perhitungan adalah undrained modulus dengan uji coba tanah yang diperlukan seperti SPT, Sondir (dutch cone penetration test), dan Pressuremeter test.
2. Primary Consolidation Settlement (penurunan konsolidasi primer), yaitu penurunan yang disebabkan perubahan volume tanah selama periode keluarnya air pori dari tanah. Pada penurunan ini, tekanan air pori secara kontinyu berpindah ke dalam tegangan efektif sebagai akibat dari keluarnya air pori. Penurunan konsolidasi ini umumnya terjadi pada lapisan tanah kohesif (clay / lempung)
3. Secondary Consolidation Settlement (penurunan konsolidasi sekunder),adalah penurunan setelah tekanan air pori hilang seluruhnya.
Hal ini lebih disebabkan oleh proses pemampatan akibat penyesuaian yang bersifat plastis dari butir-butir tanah.
2.2.3.1 Immediate Settlement – Penurunan Seketika
Penurunan seketika/elastic terjadi dalam kondisi undrained (tidak ada perubahan volume). Penurunan ini terjadi dalam waktu yang sangat singkat saat dibebani secara cepat. Besarnya penurunan elastic ini tergantung dari besarnya modulus elastisitas kekakuan tanah dan beban timbunan diatas tanah.
(2.9)
Dimana :
Sc = Immediate settlement (m) Δσ = Beban timbunan (kN/m2)
Es = Modulus elastisitas tanah (kN/m2) μs = Poisson’s Ratio (-)
B = Lebar / diameter timbunan (m) Ip = non-dimensional influence factor (-)
Schleicher (1926) mendefinisikan factor Ip ini sebagai :
(2.10) Dimana m1 = L/B (panjang/lebar beban yang bekerja)
2.2.3.2 Primary Consolidation – Konsolidasi Primer
Pada tanah lempung jenuh air, penambahan total tegangan akan diteruskan ke air pori dan butiran tanah. Hal ini berarti penambahan tegangan total (Δσ) akan terbagi ke tegangan efektif dan tekanan air pori. Dari prinsip tegangan efektif, dapat diambil korelasi :
Δσ = Δσ’ + Δu (2.11)
Dimana :
Δσ’ = penambahan tegangan efektif (kN/m2) Δu = penambahan tekanan air pori (-)
Karena lempung mempunyai daya rembes yang sangat rendah dan air adalah tidak termampatkan (incompressible) dibandingkan butiran tanah, maka pada saat t = 0, seluruh penambahan tegangan, Δσ, akan dipikul oleh air (Δu = Δσ) pada seluruh kedalaman lapisan tanah.
Penambahan tegangan tersebut tidak dipikul oleh butiran tanah (Δσ’ = 0).Sesaat setelah pemberian penambahan tegangan, Δσ, pada lapisan lempung, air dalam pori mulai tertekan dan akan mengalir keluar. Dengan proses ini, tekanan air pori pada tiap-tiap kedalaman pada lapisan lempung akan berkurang secara perlahan-lahan, dan tegangan yang dipikul oleh butiran tanah keseluruhan (tegangan efektif / Δσ’) akan bertambah. Jadi pada saat 0 < t < ∞
Δσ = Δσ’+ Δu (Δσ’ > 0 dan Δu < Δσ)
Tetapi, besarnya Δσ’ dan Δu pada setiap kedalaman tidak sama, tergantung pada jarak minimum yang harus ditempuh air pori untuk mengalir keluar lapisan pasir yang berada di bawah atau di atas lapisan lempung.
Pada saat t = ∞, seluruh kelebihan air pori sudah hilang dari lapisan lempung, jadi Δu = 0. Pada saar ini tegangan total, Δσ, akan dipikul seluruhnya oleh butiran tanah seluruhnya (tegangan efektif, Δσ’). Jadi Δσ = Δσ’.
Berikut adalah variasi tegangan total, tekanan air pori, dan tegangan efektif pada suatu lapisan lempung dimana air dapat mengalir keluar struktur tanah akibat penambahan tegangan, Δσ, yang ditunjukan gambar dibawah.
Gambar 2.3 Variasi Tegangan Total, Tekanan Air Pori, dan Tegangan Efektif (Sumber : Das, B. M, 1995)
Proses terdisipasinya air pori secara perlahan, sebagai akibat pembebanan yang disertai dengan pemindahan kelebihan tekanan air pori ke tegangan efektif, akan menyebabkan terjadinya penurunan yang merupakan fungsi dari waktu (time-dependent settlement) pada lapisan lempung. Suatu tanah di lapangan pada kedalaman tertentu telah mengalami tegangan efektif maksimum akibat beban tanah diatasnya (maximum effective overburden pressure) dalam sejarah geologisnya. Tegangan ini mungkin sama, atau lebih kecil dari tegangan overburden pada saat pengambilan sample.
Berkurangnya tegangan di lapangan tersebut bisa diakibatkan oleh beban hidup. Pada saat diambil, contoh tanah tersebut terlepas dari tegangan overburden yang telah membebani selama ini. Sebagai akibatnya, tanah tersebut akang mengalami pengembangan. Pada saat dilakukan uji konsolidasi pada tanah tersebut, suatu pemampatan yang kecil (perubahan angka pori yang kecil) akan terjadi bila beban total yang diberikan pada saat percobaan adalah lebih kecil dari tegangan efektif overburden maksimum (maximum effective overburden pressure) yang pernah dialami sebelumnya.
Apabila beban total yang dialami pada saar percobaan lebih besar dari maximum effective overburden pressure, maka perubahan angka pori yang terjadi akan lebih besar. Ada 3 definisi dasar yang didasarkan pada riwayat geologis dan sejarah tegangan pada tanah, yaitu :
1. Normally consolidated (Terkonsolidasi secara normal), dimana tegangan efektif overburden saat ini merupakan tegangan maksimum yang pernah dialami oleh tanah selama dia ada.
2. Overconsolidated, dimana tegangan efektif overburden saat ini lebih kecil daripada tegangan yang pernah dialami oleh tanag tersebut. Tegangan efektif overburden maksimum yang pernah dialami sebelumnya dinamakan tekanan prakonsolidasi. (preconsolidation pressure / PC).
3. Underconsolidated, dimana tegangan efektif overburden saat ini belum mencapai maksimum, sehingga peristiwa konsolidasi masih berlangsung pada saat sample tanah diambil.
Ada 2 hal penting yang perlu diperhatikan dalam penurunan konsolidasi ini, yaitu:
1. Besarnya penurunan yang terjadi.
2. Kecepatan penurunan terjadi.
2.2.3.3 Secondary Consolidation – Konsolidasi Sekunder
Pada akhir konsolidasi primer (setelah tekanan air pori U = 0), penurunan pada tanah masih tetap terjadi sebagai akibat dari penyesuaian plastis butiran tanah. Tahapan konsolidasi ini dinamakan konsolidasi sekunder. Variasi angka pori dan waktu untuk penambahan beban akan sama seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 2.4 Grafik Hubungan Angka Pori dan Waktu Sumber : (Das, B. M, 1995)
Besarnya konsolidasi sekunder dapat dihitung dengan rumus :
(m) (2.12)
dimana ;
(2.13) Ca= Indeks pemampatan sekunder (-)
Δe = Perubahan angka pori (-) t = Waktu (dtk)
(2.14) ep= angka pori pada akhir konsolidasi primer (-)
H = tebal lapisan lempung (m)
Penurunan yang diakibatkan konsolidasi sekunder sangat penting untuk semua jenis tanah organik dan tanah anorganik yang sangat mampu mampat (compressible). Untuk lempung anorganik yang terlalu terkonsolidasi, indeks pemampatan sekunder sangat kecil sehingga dapat diabaikan.
2.2.4 Waktu Konsolidasi
Penurunan total akibat konsolidasi primer yang disebabkan oleh adanya penambahan tegangan di atas permukaan tanah dapat dihitung.Terzaghi (1925) memperkenalkan teori yang pertama kali mengenai kecepatan konsolidasi satu dimensi untuk tanah lempung yang jenuh air. Penurunan matematis dari persamaan tersebut didasarkan pada anggapan-anggapan berikut ini :
1. Tanah (sistem lempung-air) adalah homogen.
2. Tanah benar-benar jenuh.
3. Kemampumampatan air diabaikan.
4. Kemampumampatan butiran tanah diabaikan.
5. Aliran air hanya satu arah saja (yaitu pada arah pemampatan).
6. Hukum Darcy berlaku.
Jika suatu lapisan lempung dengan tebal 2Hdr yang terletak antara dua lapisan pasir yang sangat tembus air (highly permeable) diberi penambahan tekanan sebesar Δp, maka tekanan air pori pada suatu titik di dalam lapisan tanah lempung tersebut akan naik. Untuk konsolidasi satu dimensi, air pori akan mengalir ke luar dalam arah vertikal, yaitu ke arah lapisan pasir. Kecepatan air yang mengalir ke luar - kecepatan air yang mengalir masuk sama dengan kecepatan perubahan volume.
Jadi :
t dy V dx v dy dx z z
vz vz z
) . . .
(
di mana : V = volume elemen tanah (kg/m3)
vz= kecepatan aliran dalam arah sumbu z ( cm3/dtk)
atau :
t dz V dy z dx vz
. . (2.15)
Dengan menggunakan hukum Darcy :
z u k z
k h i k v
w
z
. ; (2.16)
dimana u = tekanan air pori yang disebabkan oleh penambahan tegangan.
Selama konsolidasi, kecepatan perubahan volume elemen tanah adalah sama dengan kecepatan perubahan volume pori (void). Jadi,
t e V t V e t V t
eV V t
V t
V s
s s s
s v
( )
(2.17)
di mana : Vs= volume butiran padat (kg/m3)
Vv= volume pori (kg/m3)
Tetapi dengan menganggap bahwa butiran padat tanah tidak mampumampat, maka:
0
t Vs
dan
0
0 1
. .
1 e
dz dy dx e Vs V
Maka didapat :
t e e
dz dy dx t V
1 0
.
. (2.18)
di mana : e0= angka pori awal.
Perubahan angka pori terjadi karena penambahan tegangan efektif (yaitu : pengurangan tekanan air pori yang terjadi). Dengan anggapan bahwa penambahan tegangan efektif sebanding dengan pengurangan tekanan air pori.
Hubungan derajat konsolidasi rata-rata terhadap faktor waktu yang tak berdimensi, diberikan dalam tabel , yang berlaku untuk keadaan di mana u0adalah sama untuk seluruh kedalaman lapisan yang mengalami konsolidasi.
Tabel 2.3 Hubungan Faktor Waktu Terhadap Derajat Konsolidasi
Derajat Konsolidasi
Faktor Waktu, Tv
0 0
10 0,008
20 0,031
30 0,071
40 0,126
50 0,197
60 0,287
70 0,403
80 0,567
90 0,848
100 ∞
Sumber : (Das, B. M, 1995)
2.2.5. Koefisien Pemampatan ( Coefficient of Compression , av)
Koefisien pemampatan ( av ) adalah koefisien yang menyatakan kemiringan kurva e-p’. Jika tanah dengan volume V1 mampat sehingga volumenya menjadi V2, dan mampatnya tanah dianggap hanya sebagai akibat pengurangan rongga pori, maka perubahan volume hanya dalam arah vertikal dapat dinyatakan :
=
( ) ( )=
(2.19)Dimana :
e1 = angka pori pada tegangan p 1 ’ ( - ) e2 = angka pori pada tegangan p2’ (-) V1 = volume pada tegangan p1’ (kg/m3) V2 = volume pada tegangan p2’ (kg/m3)
2.2.6 Indeks Pemampatan / Compression Index( Cc)
Indeks Pemampatan Cc adalah kemiringan dari bagian lurus grafik e - log p’. Untuk dua titik yang terletak pada bagian lurus dari grafik dalam Gambar 2.5.
nilai Ccdapat dinyatakan dalam rumus
= −
∆( ) (2.20)
Untuk tanah normally consolidated, Terzaghi dan Peck ( 1967 ) memberikan hubungan angka kompresi Ccsebagai berikut :
Cc= 0.009 ( LL - 10 ) dengan LL adalah batas cair ( liqiud limit ) (2.21) Untuk tanah lempung dibentuk kembali (remolded )
Cc= 0.007 ( LL - 10 )
Gambar 2.5: Indeks Pemampatan Cc (Sumber : M.Das, 1995)
(2.22)
2.2.7 Koefisien Konsolidasi Arah Vertikal ( Cv)
Kecepatan penurunan dihitung dengan menggunakan koefisien konsolidasi. Kecepatan penurunan perlu diperhitungkan bila penurunan konsolidasi yang terjadi pada suatu struktur diperkirakan sangat besar. Derajat konsolidasi pada sembarang waktunya, dapat ditentukan dengan menggambarkan grafik penurunan (s) versus waktu (t) untuk satu beban tertentu yang diterapan pada alat oedometer. Dengan mengukur penurunan total pada akhir fase konsolidasi. Kemudian dari data penurunan dan waktunya, sembarang waktu yang menghubungkan dengan derajat konsolidasi rata – rata tertentu ( misalnya U = 50
% ) ditentukan. Walaupun fase konsolidasi telah berakhir, yaitu ketika tekanan air porinya telah nol, benda uji di dalam alat oedometer masih terus mengalami penurunan akibat konsolidasi sekunder. Karena itu, tekanan air pori mungkin perlu diukur selama proses pembebanannya atau suatu interprestasi data penurunan dan waktu harus dibuat untuk menentukan kapan konsolidasi telah selesai.
Jika sejumlah kecil udara terhisap masuk dalam air pori akibat penurunan tekanan pori dari lokasi aslinya di lapangan, kemungkinan terdapat juga penurunan yang berlangsung cepat, yang bukan bagian dari proses konsolidasi.
Karena itu, tinggi awal atau kondisi sebelum adanya penurunan saat permulaan proses konsolidasi juga harus diinterprestasikan.
2.2.8 Log– Time Fitting Method
Prosedur untuk menentukan nilai koefisien konsolidasi Cv diberikan oleh Casagrande dan Fadum ( 1940 )
Cv = 0.197H2t/ t50 (cm2/dtk) (2.23)
Pada pengujian konsolidasi dengan drainasi atas dan bawah ( double drained ), nilai H diambil setengah dari tebal rata – rata benda uji pada beban tertentu.
Gambar 2.6 : Log – Time Fitting ( Casagrande , 1940 ) Sumber : (Das, B. M, 1995)
2.2.9 Square Root of Time Method
Grafik yang perlu disiapkan adalah hubungan akar dari waktu vs penurunannya. kurva teoritis yang terbentuk , biasanya linier sampai dengan kira – kira 60 % konsolidasi.
Gambar 2.7 : Square Root of Time Method Sumber : (Das, B. M, 1995)
Karakteristik cara akar waktu ini, yaitu dengan menentukan U=90%
konsolidasi di mana pada U=90%, absis OR akan sama dengan 1.15 kali absis OQ.
konsolidasi Cv diberikan persamaan :
Cv = 0.848H 2/
t
90 (cm2/dtk) (2.24)Jika akan menghitung batas konsolidasi primer ( U=100% ), titik R100pada kurva dapat diperoleh dengan mempertimbangkan menurut perbandingan kedudukannya.
Seperti dalam penggambaran kurva log-waktu, gambar kurva akar waktu yang terjadi memanjang melampaui titik 100 % ke dalam daerah konsolidasi sekunder.
Metode akar waktu membutuhkan pembacaan penurunan ( kompresi ) dalam periode waktu yang lebih pendek dibandingkan dengan metode log – waktu.
Tetapi kedudukan garis lurus tidak selalu diperoleh dari penggambaran metode akar – waktu
2.3. Drainase Vertikal
Pada tahun 1925, Daniel E. Moran memperkenalkan pemakaian drainase dari kolom-kolom pasir untuk stabilitas tanah pada kedalaman yang besar dan selanjutnya keberhasilan drainase tipe ini dipakai disebelah barat benua Amerika (Amerika Serikat) dan pada tahun 1944 disebelah timur negara tersebut. Tipe drainase selanjutnya dikenal dengan drainase vertikal. Sejak tahun itu, pemanfaatan drainase vertikal yang dikenal dengan metode drainase vertikal berkembang demikian pesat, umumnya dalam pekerjaan-pekerjaan konstruksi timbunan untuk jalan raya, tanggul, tanah hasil reklamasi pantai.Pada tahun 1936,
diperkenalkan sistem drainase vertikal dengan bahan sintesis oleh Kjellman di Swedia.
Setelah di tes di beberapa tempat pada tahun 1937 dengan bahan calboard wick mendapat sambutan yang hangat dari para ilmuwan. Sejak saat itu pengembangan drainase vertikal dilanjutkan menggunakan berbagai macam bahan. Ini dilakukan para ilmuan agar dapat mempercepat waktu penurunan konsolidasi yang lama. Pengembangan yang terbaru bagi drainase vertikal adalah drainase vertikal sintesis. Dengan memenuhi persyaratan untuk kelayakan drainase vertikal dan bahkan drainase vertikal sintesis dapat mempercepat waktu penurunan konsolidasi lebih cepat dari bahan-bahan terdahulunya sehingga menjadi pilihan utama saat mengatasi masalah konsolidasi.
2.3.1 Jenis Drainase Vertikal
Pada prinsipnya drainase ini dapat dikatakan menjamin aliran air tanpa hambatan atau dapat dikatakan kecil ke arah vertikal yaitu ke arah lapisa porus yang berada di atas muka tanah atau bahkan dua lapisan porus di atas dan di bawah lapisan lunak (berada dalam tanah) dan juga tidak menimbulkan masalah pada bidang kontak antara tanah dan drain.Tipe drainase vertikal bergantung pada material yang digunakan dan dibagi menjadi dua bagian :
a. Drainase Vertikal Konvensional b. Drainase Vertikal Sintetis 2.3.1.1 Drainase Vertikal Konvensional
Tipe ini klasik yang sudah banyak digunakan. Bahan yang digunakan adalah bahan bergradasi atau pasir (sand drain). Umumnya terdiri dari pasir atau kerikil yang mempunyai permeabiitas tinggi. Metode tradisional dalam membuat
drainase vertikal adalah dengan membuat lubang bor pada lapisan lempung dan mengurung kembali dengan pasir yang bergradasi sesuai diameternya sekitar 200 – 400 mm dan saluran drainasi tersebut dibuat sedalam lebih dari 30 m. Pasir harus dapat dialiri air secara efisien tanpa membawa partikel-partikel tanah yang halus.Drainasi cetakan juga banyak digunakan dan biasanya Iebih murah daripada drainasi urugan untuk suatu daerah tertentu. Salah satu jenisnya adalah drainasi prapaket (prepackage drain) yang terdiri dari sebuah selubung filter, biasanya dibuat dari polypropylene, yang diisi pasir dengan diameter 65 mm. Jenis ini sangat fleksibel dan biasanya tidak terpengaruh oleh adanya gerakan-gerakan tanah lateral.
Gambar 2.8 Sand Drain dan Horizontal Blanket Drain Sumber : (Richart, 1959)
2.3.1.2 Drainase Vertikal Sintetik
Ada beberapa macam dari drainase vertikal sintetik dan dapat dikategorikan dalam beberapa kategori (Magnan, 1983) :
a. Drainase vertikal sintesis dari bahan karton.
b. Drainase vertikal dari bahan plastik.
c. Drainase vertikal dari bahan pasir yang dibungkus dengan material sintetik.
d. Drainase vertikal dari bahan serabut kelapa.
Drainase vertikal sintetik umunya strip dan terdiri dari dua komponen utama yaitu inti plastik yang dibungkus dengan material geosintesis. Inti plastik berfungsi sebagai penyalur air dan pembungkus sebagai filter bagi partikel tanah halus.
Dibanding dengan drainase vertikal dari bahan pasir (sand drain), drainase vertikal sintesis mempunyai beberapa keuntungan menurut Young (1997), diantaranya :
1. Gangguan tanah akibat pemasangan lebih kecil.
2. Alat-alat pemasangan lebih ringan.
3. Meniadakan kontrol kualitas pasir dilapangan.
4. Kualitas drainase vertikal sintesis lebih seragam.
5. Menjamin jalur drainase yang kontinyu.
6. Kontaminasi partikel halus jauh lebih kecil.
7. Menahan deformasi yag besar tanpa menghilangkan fungsinya.
8. Lebih cepat pemasangannya.
9. Lebih ekonomis.
Karena alasan-alasan tersebut metode sand drain semakin jarang digunakan dan banyak yang memilih menggunakan drainase vertikal jenis sintesis. Berikut contoh drainase vertikal yang umum digunakan
Gambar 2.9 PVD
Sumber : (TenCate Polyfelt® Alidrain)
Prefabricated vertical drain (PVD) yang ada di pasaran dengan beragam bentuk dan ukuran. PVD memiliki lapisan core (yang terletak dibagian dalam) dan Filter jacket yang memiliki fungsi masing-masing yaitu:
Fungsi dari drain jacket:
• Sebagai filter untuk membatasi masuknya butiran-butiran tanah halus yang akan menghalangi jalannya pengaliran air.
• Sebagai permukaan eksterior yang melindungi bagian drain core yang juga berfungsi sebagai jalannya aliran.
• Mencegah terjadinya penutupan jalannya pengaliran air internal ketika terjadi tekanan tanah arah horisontal.
Fungsi dari Drain core :
• Berfungsi sebagai jalannya aliran
• Berfungsi untuk mensupport keberadaan filterjacket.
• Berfungsi untuk memastikan jalannya aliran yang lurus vertical dan tidak berkelok-kelok.
• Sifatnya yang kaku memberikan kekuatan terhadap tekanan horizontal dan aliran.
Banyak sekali terdapat informasi tentang metode pemasangan dan jenis- jenis PVD yang sudah pernah sukses dilakukan di seluruh dunia. Metode pendesainan untuk mengetahui waktu terjadinya konsolidasi versus jarak pemasangan PVD termasuk kemampuan PVD untuk mengalirkan air dapat dilihat pada beberapa literature dan hasil penelitian yang sudah pernah dilakukan.
Hansbo (1979) pernah mengembangkan hubungan antara jarak pemasangan sebagai fungsi dari waktu konsolidasi yang akan dibahas pada bab berikutnya.
Holtz dkk (1991) juga pernah memplublikasikan tentang petunjuk perhitungan flow rate capacity dari PVD dengan berbagai macam kondisi. Penelitian tentang perubahan kekuatan PVD pada saat pemasangan, selama pemasangan dan setelah dipasang di lapangan juga pernah di teliti oleh Voskamp dkk (1998). Dengan semakin berkembangnya penggunaan PVD dilapangan tentunya semakin banyak penelitian-penelitian yang dilakukan
Tabel 2.4 Jenis Drainase Vertikal
Tipe Drain
Metode pemasangan
Diameter drain (m)
Jarak pemasang
an antar Drain (m)
Panjang maximu m (m)
Sand drain
Mendorong masuk kedalam tanah dengan sistem getar
0,15 – 0,6 1 - 5 ≤ 30
Sand drain
Menggunakan batang berongga panjang dengan auger
0,3 – 0,5 2 - 5 ≤ 35
Sand drain Metode jet grouting 0,2 – 0,3 2 - 5 ≤ 30
prefabricated sand drains (sandwicks)
memasukkan alat dengan sistem getar menggunakan mandrel diujung alatnya,dengan menggunakan auger
0.06-0.15 1,2 - 4 ≤ 30
Prefabricated band-shaped
drains
Memasukkan alat kedalam tanah
dengan menggunakan mandrel diujungnya.
0,05 – 0,1 (diameter ekivalen)
1,2 -3,5 ≤ 60
Sumber : (TenCate Polyfelt® Alidrain Prefabricated Vertical Drain)
2.3.2 Sifat-sifat dari Filter pada PVD
Pada dasarnya, material yang digunakan pada drainase vertikal baik sand drain maupun PVD harus memiliki kualitas yang baik sehingga dapat berfungsi baik dalam mengalirkan air pori keluar dari masa tanah. Selain itu, filter jacket harus dapat menahan butiran-butiran kecil dari tanah yang dibawa oleh air supaya tidak menghambat jalannya air. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Hansbo (1979), filter yang digunakan dalam PVD harus memiliki syarat-syarat sebagai berikut :
o Nilai permeabilitas dari filter tersebut harus memiliki nilai yang sesuai sehingga tidak mempengaruhi nilai discharge capacity dari sistem drainase tersebut.
o Nilai permeabilitas dari filter harus memiliki nilai yang cukup rendah untuk menahan partikel butiran tanah yang halus. Karena, jika tidak, butiran tanah tersebut dapat masuk kedalam core melewati filter dan dapat menyebabkan terjadinya penyumbatan pengaliran air.
o Filter harus cukup kuat untuk menahan tekanan tanah lateral yang besar sehingga tidak terdorong mendekat core sehingga akan menutupi jalannya aliran air.
o Filter harus cukup kuat sehingga tidak mengalami fatique/lelah ataupun kerusakan selama dilakukan pemasangan.
o Filter tersebut diharapkan tidak mengalami penurunan mutu yang terlampau besar akibat usia karena dapat mengurangi nilai discharge capacity dari darin tersebut.
Untuk mendapatkan kualitas filter yang sesuai, criteria desain filter yang harus dipenuhi adalah sesuai dengan beberapa kondisi berikut ini.
o Soil retention ability.
Kriteria pertama yang harus dipenuhi adalah ukuran pori dari filter tersebut harus cukup kecil untuk menghindari masuknya butiran-butiran tanah melalui filter yang nantinya dapat menyebabkan terjadinya penyumbatan. Tetapi, pori-pori filter tersebut tidak diperbolehkan terlalu kecil karena akan mengurangi nilai permeabilitas dari filter tersebut yang dapat menyebabkan aliran air yang memasuki core berjalan lambat. Criteria ukuran filter berdasarkan rekomendasi Chu dkk (2004) adalah sebagai berkut :
dan
dimana :
O95adalah ukuran dari filter
O95≤ 0.075 mm (adalah ukuran yang biasanya digunakan) O50adalah ukuran dimana lebih besar dari 50% ukuran pori kain.
D85adalah diameter partikel dimana 85% partikel tanah adalah lebih kecil D50adalah diameter partikel dimana 50% partikel tanah adalah lebih kecil
o Permeabilitas
Kriteria kedua adalah nilai permeabilitas dari filter harus cukup besar, lebih besar dibandingkan dengan nilai permeabilitas dari tanah. tanah yang distabilisasi dengan PVD biasanya memiliki nilai permeabilitas yang sangat kecil, sehingga perbandingan nilai permeabilitas filter dengan tanah harus cukup sesuai.
Berdasarkan hasil penelitian Chu dll (2004) nilai permeabilitasnya adalah sebagai berikut :
dimana, kf adalah nilai permabilitas dari filter dan ks adalah nilai permeabilitas dari tanah.
o Sifat mekanis dari filter dan core
PVD harus cukup kuat untuk menopang tegangan tarik yang akan terjadi selama proses instalasi. Tegangan tarik tersebut, kemungkinan berasal dari berat drain itu sendiri maupun gesekan yang terjadi antara drain dan peralatan pemasangan. Berdasarkan penelitian yang dilakukan Kremer dkk (1983), tegangan tarik maksimum terjadi disebabkan oleh pergerakan mandrel pada saat proses pemasangan dan pada awal proses penetrasi atau ketika terjadi perlambatan disebabkan oleh hambatan-hambatan yang terjadi pada akibat lapisan tanah. itu berarti bahwa core, tegangan dari filter, kekuatan dari seluruh lapisan PVD maupun PVD perlapisan perlu diperhatikan baik dalam kondisi basah maupun kondisi kering.
PVD dimasukkan kedalam tanah melalui rotating drum (alat untuk memasukkan PVD yang masuk berupa gulungan) sesuai dengan panjang yang diinginkan dengan melalui proses penetrasi Mandrel. Drain yang dimasukkan kedalam tanah itu harus kuat untuk menahan tegangan tarik dan tegangan- tegangan lain yang terjadi dalam tanah selama proses pemasangan. Apabila peralatan yang digunakan adalah peralatan dengan system getar, maka drain yang dipasang tersebut haruslah kuat menahan beban getar yang terjadi.
Rekomendasi tegangan tarik pada drain dilakukan oleh Kremer dkk (1983) yang sesuai dengan test yang dilakukan pada material PVD baru dengan panjang 350 mm adalah sebagai berikut:
o Tegangan tarik longitudinal (longitudinal tensile strength) pada setiap komponen drain memiliki nilai paling tidak 0,5 kN.
o Regangan longitudinal pada saat runtuh adalah ≥ 2% tetapi ≤ 10%.
o Setiap jahitan/ sambungan pada PVD harus cukup kuat untuk menahan beban dan tekanan yang terjadi akibat tanah maupun aliran.
Kriteria beban tarik 0,5 kN dan regangan ε = 2% didasarkan pada perkiraan kekuatan tarik dan regangan di saluran pembuangan yang mungkin terjadi selama prosedur instalasi. Regangan horisontal maksimum ε = 10%
diperlukan untuk membatasi deformasi yang terjadi pada drain selama instalasi.
2.3.3 Penggunaan PVD.
Apabila nilai permeabilitas yang mempengaruhi kemampuan air untuk mengalir melalui pori-pori tanah sangat rendah akan menyebabkan waktu
terjadinya konsolidasi khususnya pada tanah lempung lunak akan berlangsung sangat lama bahkan bisa sampai puluhan hingga ratusan tahun. Untuk mempercepat waktu terjadinya konsolidasi maka digunakanlah PVD yang biasanya dikombinasikan dengan preloading ataupun timbunan
Drainase vertikal merupakan suatu saluran drainase buatan yang dimasukkan/ dipasang didalam tanah lunak. Sehingga dengan dipasangnya saluran tersebut, air yang mengalir keluar dari masa tanah akibat adanya preloading akan bergerak lebih cepat kearah horisontal yaitu menuju PVD yang dipasang. Hal tersebut disebabkan oleh pergerakan horisontal aliran air pada tanah lempung lebih cepat dibandingkan aliran air arah vertical. Maka setelah air pori mengalir secara horisontal ke drainase vertikal yang terpasang, air pori tersebut akan lebih mudah mengalir secara vertical melalui PVD yang terpasang.
Hal tersebut menunjukan bahwa dengan dipasangkan drainase vertikal akan membantu mengurangi jarak pengaliran air pori keluar dari masa tanah.
Dengan keluarnya air pori dari masa tanah tersebut, maka tanah akan semakin memampat dan dengan lebih cepatnya proses pemampatan maka keretakan struktur akibat pemampatan yang belum selesai seluruhnya akan dapat terhindarkan.
Sehingga, apabila dirangkum, tujuan penggunaan PVD apabila dikombinasikan dengan preloading adalah :
o Untuk mengurangi waktu terjadinya konsolidasi khususnya konsolidasi primer yang disebabkan oleh beban diatasnya (preloading)
o Untuk mengurangi pengaruh beban surcharge yaitu terjadinya konsolidasi dalam waktu yang sangat lama. Sehingga dengan adanya PVD dan preloading ini, pemampatan dapat selesai dalam waktu yang diinginkan.
o Untuk meningkatkan kekuatan dari tanah lunak yang disebabkan oleh pemampatan yang sudah selesai terjadi.
Gambar 2.10 Kombinasi Pemasangan PVD dengan preloading Sumber : (Menard)
Penggunaan PVD dilapangan untuk mempercepat selesainya konsolidasi dapat dilakukan hampir disegala kondisi yang sering terjadi dilapangan.
Penggunaan PVD dapat dilakukan pada tanah yang : (1) bersifat sangat mudah memampat apabila dikenai beban statis diatasnya. (2) Waktu pemampatannya sangat lambat disebabkan oleh rendahnya nilai permeability pada tanah dan jarak tempuh pengaliran air pori keluar dari masa tanah terlampau jauh. Tanah dengan ciri-ciri tersebut biasanya tergolong jenis tanah kohesif, tanah yang berbutir halus baik organic dan non-organik. Selain itu terdapat juga beberapa koefisien- koefisien yang dapat mempengaruhi kemampuan PVD dilapangan.
2.3.4 Faktor yang Mempengaruhi Efisiensi Pengaliran
Koefisien yang dianggap paling berpengaruh terhadap nilai rate of consolidation dengan perkuatan PVD adalah koefisien konsolidasi radial dari tanah. Selama ini belum banyak penelitian yang membahas tentang metode pengetesan dilaboratorium untuk menyetahui parameter ini dan membandingkannya dengan kondisi sebenarnya di lapangan. Chai dan Miura (1999) telah melakukan penelitian untuk mengetahui factor lain yang mempengaruhi performance dari PVD. Pengaruh dari vertical drain pada tanah dasar adalah : (1) Jarak pemasangan PVD dan diameter ekivalennya. (2) Gaya penahan yang baik dari tanah (discharge capacity). (3) Efek Smear. (4). Drainage boundary condition.
Hasil dari penelitian Chai dan Miura (1999) menyimpulkan bahwa, discharge capacity dari pengaliran adalah salah satu unsur yang paling berpengaruh terhadap performance dari vertical drain. Smear zone juga dianggap memiliki efek yang siknifikan terhadap nilai konsolidasi pada tanah yang dipasang PVD. Diameter dari smear zone (ds) dapat diestimasi 2 hingga 3 kali diameter ekivalen dari mandrel (dm). Apabila tidak ada pengetesan sebelumnya di laboratorium nilai ds= 3 dmdapat digunakan.
Hal mendasar yang dapat dilihat dari pemasangan PVD adalah, semakin besar diameter ekivalent dari PVD semakin kecil kemampuan drain tersebut. Semakin kecil efek smear yang terjadi semakin efektif vertical drains tersebut. Efek dari pemasangan PVD pada nilai rate of consolidation yang diaplikasikan pada tanah
lunak dapat dihitung dengan metode analisa yang dikembangkan oleh Hansbo (1981).
2.3.5 Proses Pemasangan PVD Dilapangan
Vertical drain dapat digunakan pada kondisi tanah yang memiliki nilai permeability yang rendah dan secara siknifikan dapat meningkatkan nilai rate of consolidation. PVD terbuat dari lapisan plastic yang flexible yang dilapisi oleh lapisan filter yang dapat dipasang hingga kedalaman 50 meter. Proses pemasangan PVD dilapangan adalah sebagai berikut :
o Persiapkan alat yaitu berupa excavator, stitcher, PVD, mandrel dan plate angkur baja. Pada dasar mandrel, material PVD dilingkarkan ke pengait baja yang dapat memperkuat posisi PVD supaya tidak lepas dengan mandrel pada saat proses pemasangan
Gambar 2.11 PVD dikaitkan ke plat baja Sumber : (Menard)
o PVD dipasang dengan menekan mandrel baja yang sudah dikaitkan dengan PVD. Mandrel didorong masuk kedalam tanah dengan menggunakan alat excavator.
o Setelah PVD mencapai kedalaman yang diinginkan atau alat sudah menemui lapisan keras, mandrel kemudian dilepas dan ditarik keatas tanah. Sementara itu, PVD dan plat pengait dari baja tetap dibiarkan didalam tanah. Setelah mandrel telah sepenuhnya keluar dari lapisan tanah, sisa PVD tersebut dipotong 15-20 cm dari permukaan tanah lantai kerja.
Untuk dapat mendorong mandrel kedalam tanah, nilai resisten pada tanah (tanah di lantai kerja yang biasanya padat atau dilapisi geotekstil) harus tidak melebihi 5 Mpa. Apabila lapisan tanah dipermukaan adalah merupakan jenis tanah sangat kuat, untuk memasukan mandrel ke dalam tanah diperlukan system getar, hammer maupun drilling system.
