STUDI PARAMETER FISIK TANAH DENGAN GELOMBANG ULTRASONIK

(1)

Manajemen dan Rekayasa Geoteknik D-1

STUDI PARAMETER FISIK TANAH DENGAN GELOMBANG

ULTRASONIK

SUDJANARKO S1, YUDHI L2

1,2

1. PENDAHULUAN

Jurusan Teknik Sipil, ITS Surabaya, email : yudhi.lastiasih@gmail.com

Abstrak— Parameter fisik tanah dapat diperkirakan dengan beberapa metode. Pemilihan

alat ultrasonik untuk menyelidiki parameter-parameter tanah dapat diterapkan khususnya jika waktu yang tersedia terbatas, karena penggunaan peralatan yang umum dipakai biasanya membutuhkan waktu yang lebih lama. Alat ultrasonik ini mudah dibawa dan cepat penggunaannya, sehingga dapat dipergunakan di lapangan maupun di laboratorium, selain itu dapat mengurangi biaya penyelidikan tanah. Untuk medapatkan parameter-parameter tanah misalnya modulus elastisitas, kepadatan, kadar air, angka pori, porositas dan derjat kejenuhan maka dilakukan variasi terhadap berat volume kering, kadar air dan ukuran beda uji. Variasi ini akan menimbulkan efek penyebaran getaran ultrasonik yang berbeda-beda. Sehingga dengan alat ultrasonik tes, kecepatan gelombang tekan ( compressional wave velocity) dan kecepatan gelombang geser ( shear wave velocity) dapat diukur. Kecepatan gelombang tersebut dapat dikorelasikan terhadap parameter tanah seperti kadar air, kepadatan kering, porositas, modulus elastis dan lain-lain, sehingga memungkinkan untuk mendapatkan data lapangan dengan tes yang sederhana ini dapat berlangsung cepat. Perbandingan kecepatan gelombang P dan gelombang S terhadap unconfined compression test, parameter tanah pada kondisi statik dapat diperkirakan. Dan juga hubungan statik dan dinamis dapat diketahui. Selain itu dengan adanya variasi berat volume kering maka kecepatan gelombang P dan S akan meningkat non linier seiring dengan meningkatya berat volume kering sedangkan kecepatan gelombang P dan S meningkat secara perlahan hingga kadar air 11% dan ukura benda uji tidak mempengaruhi kecepatan gelombag S dan P.

Kata Kunci— ultrasonik tes, kecepatan gelombang P, kecepatan gelombang S

Pentingnya menggunakan ultrasonik untuk menguji material yang sifatnya tidak merusak perlu diperkenalkan. Prosedur untuk memperkirakan modulus elastis dinamis inti batuan dengan ultrasonik biasa digunakan. Penerapan metode ini memperlihatkan beberapa korelasi . Karakteristik dari gelombang-gelombang tersebut dapat dihubungkan dengan parameter mekanik dari

media yang dilaluinya. Oleh karena itu gelombang ultrasonik dapat digunakan untuk menyelidiki parametr fisik dan mekanik dari bahan.

(2)

digunakan untuk memperoleh hubungan secara teoritis. Banyak studi yang telah dilakukan di lapangan untuk menentukan parameter geoteknik dengan menggunakan metode geofisika.

Tujuan studi ini adalah mengestimasi besarnya parameter tanah dengan menggunakan kecepatan gelombang ultrasonik melalui media contoh tanah berbentuk silinder.

Dengan peralatan ultrasonik , kecepatan gelombang P dan S dapat diukur pada contoh tanah dengan variasi kadar air, kepadatan dan ukuran untuk mengetahui pengaruh parameter-parameter ini pada kecepatan gelombang P dan S.

Parameter seperti unconfined compressive

strength dan modulus dinamis tanah dapat

dihubungkan dengan gelombang P dan S, dan metode pengukuran kecepatan gelombang ultrasonik dapat digunakan untuk memperkirakan nilai parameter tersebut dengan cepat.

Perbandingan dilakukan antara nilai yang diperoleh dari percobaan laboratorium dengan nilai yang diperoleh dengan menggunakan korelasi empiris pada studi ini.

2. TINJAUAN PUSTAKA

Penyebaran gelombang ultrasonik dalam bahan dihubungkan dengan parameter elastis dan homogenitas struktur bahan. Penyelidikan ini juga dipengaruhi oleh intensitas dan arah gelombang dan waktu yang diukur pada gelombang yang melalui bahan tersebut.

Ada dua macam perilaku tes :

a. Mencari diskontinuitas dalam struktur material disebut ultrasonic flaw detection ( deteksi retak ultrasonik)

b. Memeriksa parameter dari media

terus menerus, seperti kecepatan ultrasonik dan ukuran penyerapan.

2.1. Metode Getaran Ultrasonik

Dalam metode getaran, impulse mekanik diteruskan pada benda uji dan waktu yang dibutuhkan getaran melewati panjang benda uji digunakan untuk menghitung kecepatan gelombang dengan rumus sebagai berikut :

t L

v= / (1) Dimana :

v = kecepatan

L = jarak lintasan gelombang t = waktu tempuh

Gambar 1 memperlihatkan variasi penggunaan pada penentuan sifat elastis dengan ultrasonik.

2.2. Sumber Getaran Gempa

Gelombang gempa dihasilkan dengan berbagai metode. Metode standar yang menghasilkan gelombang gempa adalah dengan meledakkan bahan peledak dalam lubang (PARASNIS,1962). BROWN dan ROBERTSHAW (1953) mengkondisikan gangguan elastis pada batuan dengan pukulan palu yang besar.

Sumber Getaran dapat dikelompokkan sebagai berikut :

- Peledakkan bahan kimia padat ( dinamit, aquaseis,flexotir,primacord)

- Sumber tekanan udara (PAR, Seismojet, Terrapak)

- Sumber energi Listrik tergantung pada gerakan piston atau pelat dengan transducer. (Booner, Pinger, Sono probe, Sparkaaray)

- Ledakan gas

(3)

2.3. Kecepatan Gelombang Elastis dan Modulus Dinamis

Teori elastisitas dapat diterapkan untuk masalah penyebaran gelombang elastis. Mengacu pada teori elatis persamaan 2 dan 3 dibawah ini berhubungan dengan kecepatan longitudinal dan transversal, Vp dan Vs

(

)(

)

1963, DEERE, 1969; JAEGER, 1972 dan ATTEWELL & FARMER,1976). DUVALL(1965) menyatakan persamaan metode frekuensi resonansi sebagai berikut:

2

kecepatan batang putar

Dari pernyataan EVISON (1965) tentang teori elastis dibentuk dengan hubungan

poisson’s ratio,υ, Young Modulus, E,

kecepatan gelombang tekan dan geser Vp dan

Vs

Poisson ratio,υ hanya tergantung pada

ratio kecepatan.

BROWN & ROBERTSHAW (1953) mengusulkan bahwa jika kecepatan gelombang longitudinal pada pondasi batuan dapat diukur di lapangan, Modulus Young dapat ditentukan dengan cepat dari grafik dengan ketelitian yang seharusnya mendekati semua penelitian tanpa acuan poisson’s ratio dan kepadatan, grafik ini diperlihatkan pada Gambar 2.

(BROWN & ROBERTSHAW,1953). Gambar 2 (ONODERA, 1965) memperlihatkan Young’s modulus untuk kepadatan dan poisson’s ratio rata-rata dari batuan jepang dimana Ve adalah kecepatan

longitudal dan Ed dan εd adalah modulus

dinamis laboratorium dan lapangan.

Hubungan empiris didapat dari pengukuran contoh kecil antara E-statis yang didapatkan dari tes standar dan kecepatan gelombang P diperlihatkan pada Gambar 3 (WHITLEY,1983). WHITELEY, mengkondisikan dinamic young’s modulus (

Ed) sebagai tangen dari kurva tegangan –

regangan.

(4)

3. METODE PENELITIAN

Kasus terbanyak dari pengujian dengan ultrasonik digunakan untuk mendapatkan informasi yang bermutu tentang kondisi, ukuran dan kondisi aslinya. Informasi ini hanya menyediakan dasar evaluasi yang tepat dari perilaku dan kemungkinan hasil perkiraan dari test-test lain yang lebih akurat.

3.1. Pemilihan dan Batasan Pengujian dengan Metode Ultrasonik

Pemilihan metode dan tata cara untuk melaksanakan test dipengaruhi oleh rentang faktor yang mendifinisikan batasan metode ultrasonik.

Kondisi dan tipe permukaan dari contoh tanah mutlak ditentukan pada semua tipe pengujian dengan ultrasonik. Dengan variasi kriteria perbedaan derajat kekasaran, maka hasil tes tidak akan selalu dapat dikorelasikan satu dengan yang lain. Untuk pekerjaan mekanik derajat kehalusan permukaan tidak mempengaruhi hasi pengujian, asalkan ketidakteraturan yang menyebabkan kekasaran tidak melebihi 1/10 panjang gelombang ultrasonik yang digunakan.

Bentuk dari contoh tanah berpengaruh sekali terhadap hasil uji dengan ultrasonik. Pada umumnya, sangatlah mudah untuk melintasi gelombangn memotong permukaan yang cembung daripada pemukaan cekung. Permukaan cekung dan cembung menyebabkan gelombang berjalan pada arah yang berbeda dan kondisi ini bisa mendapatkan hasil yang salah.

Banyak batasan dari pengujian ultrasonik meningkat disebabkan oleh hubungan yang tidak benar antara transducer dan permukaan objek yang diuji yaitu derajat sambungan suara. Ini tergantung pada jumlah kekasaran permukaan dan juga sifat-sifat sementra bahan. Meningkatnya derajat kekasaran

permukaan menyebabkan lebih sulit gelombang ultrasonik untuk melalui objek.

Minyak yang bervariasi derajat kekentalan/viskositas, ketebalan minyak atau pelumas yang digunakan secukupnya untuk hubungan antara transducer dan permukaan. Hasil yang didapatkan sangat bagus dengan glycerine atau campuran 1 bagian gliserin dan 2 bagian air.

Untuk melindungi transducer dari pergesekan pemakaian, ditutupi plastik tipis, meskipun lapisan plastik menyebabkan tambahan gelombang.

Tipe dari probes dan transducer yang digunakan pada tes ini memberikan kualitas dari tanda osiloskope, yang menentukan kekuatan pembagi, zone mati dan jumlah penetrasi gelombang. Karena kesulitan dalam membangun probes yang akan menyediakan deteksi yang bagus, beberapa tipe telah direncanakan untuk tujuan khusus. Frekuensi probe terbesar yang digunakan adalah diameter 10, 20, 30 hingga 50 mm .

Tipe peralatan yang telah digunakan pada tes ini adalah Model 5210, Sonic Viewer, OYO Corporation, Japan. Sonic Viewer dapat dipakai untuk berbagai tujuan dari pengukuran, tidak hanya kecepatan gelombang P dan S dari contoh batuan, boring cores dan contoh beton tapi juga kecepatan lainnya dan dapat melayani semua fungsi dari osiloskope. Ketelitian pengukuran waktu tempuh 1.25 x 10-5 cm/detik dan 0.05 mm untuk panajng contoh.

3.2. Persiapan Benda Uji

(1). Jenis tanah

(5)

Permintaan untuk mengurangi faktor-faktor yang berpengaruh terhadap kecepatan gelombang selama penjalaran melalui benda uji, contoh tanah terganggu telah dikumpulkan dari lapangan dan benda uji dibuat ulang dengan mengontrol kondisinya. Contoh tanah terganggu dikumpulkan dengan menggali lubang sedalam 0.25 – 1.00 meter di daerah lapangan Golf di kampus A.I.T. Tanahnya mengandung lempung bercampur dengan organik dengan warna kuning dan hitam. Nilai atteberg limit dari tanah ini adalah Batas Cair ( Liquid Limit) = 60.78%, batas plastis ( Plastic Limit) = 25.21% dan Indeks plastisitas ( Plasticity Index) = 35.49%.

(2). Metode Persiapan Benda Uji

Contoh tanah terganggu dikumpulkan dari lapangan dengan kondisi alami kering udara sebelum benda uji dibuat dengan bentuk dan ukuran yang khusus. Kemudian tanah kering udara ditumbuk dan diayak dengan ayakan no. 40 ASTM untuk mendapatkan ukuran partikel yang diinginkan. Kering udara lebih dianjurkan daripada kering oven untuk menghindari kemungkinan perubahan sifat-sifat tanah yang mengandung organik. Contoh tanah yang telah diayak disiapkan, dicampur dengan jumlah air yang diinginkan sampai mempunyai campuran yang homogen dari tanah dan air, kemudian benda uji dibiarkan 24 jam.

Benda uji dipadatkan pada cetakan dengan tiga ukuran yang berbeda (diameter dan tinggi cetakan berturut-turut 5.08cm & 17.80 cm, 10.14cm& 11.60 cm, dan 15.25 cm & 17.7- cm). Dua tipe palu ( palu dengan berat 2.268 kg dan 4.536 kg) digunakan pada pemadatan ini dan diterapkan pada tanah dalam cetakan dengan 5 lapis. Nilai kadar air dengan variasi 6.60% s/d 19.25% dan

kepadatan kering dengan variasi 1.30 gr/cc s/d 1.8 gr/cc.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pergerakan gelombang sebenarnya tergantung pada macam impulse awal yang diberikan dari luar, elatisitas dan kandungan masa media. Gerakan gelombang dapat diukur dengan beberapa metoda dan salah satunya metoda pengukuran kecepatan menggunakan penunda getaran ultrasonik .

Getaran ultrasonik menyebar dalam bahan dengan pemancar diantarkan oleh penerima . Pancaran getaran yang terus menerus, waktu dasar osiloscope dipacu dan waktu tunda dalam membawa sinyal disisi lain ditampakkan pada layar. Hubungan Getaran penerima dengan waktu dasar pemulaan adalah sama dengan waktu dari perjalanan gelombang melalui bahan.

Perilaku contoh tanah untuk menyebarkan gelombang suara menunjukkan sifat – sifat dari bahan ini. Perbandingan sifat-sifat ini memungkinkan memberikan hubungan antara parameter tanah dan kemungkikan penggunaan perkiraan tanah di lapangan dan laboratorium.

Pada Gambar 4 menunjukkan bahwa hasil uji ultrasonik dengan teori Evinson menghasilkan hasil yang sama dalam hubungannya dengan ratio kecepatan dan poisson ratio

Hasil pengukuran kecepatan dari Gelombang P dan Gelombang S dari contoh dengan diameter, kadar air dan berat jenis kering yang berbeda diberikan pada Tabel 1.

Hasil dari tes unconfined compressive strength pada tiap contoh ( hanya untuk satu diameter) dari ujung satu ke ujung lain dengan modulus statik tanah juga diberikan pada Tabel 1.

(6)

1. Pengaruh Berat Volume kering pada

kecepatan gelombang

Seperti terlihat pada Tabel 1, pengukuran kecepatan gelombang diambil pada harga berat jenis kering 5 – 9 pada tiap harga kadar air untuk tiga ukuran benda uji yang berbeda. Pengaruhnya dapat dilihat dari tabel bahwa kecepatan gelombang P dan S meningkat dengan meningkatnya berat volume kering. Peningkatan kecepatan lebih tinggi pada kepadatan yang tinggi memperlihatkan peningkatan yang tidak linier.

2. Pengaruh kadar air pada kecepatan

gelombang

Dari hasil yang ditabelkan pada Tabel 1, pengukuran kecepatan pada benda uji dengan kadar air yang berbeda, dapat terlihat bahwa dengan meningkatnya kadar air maka kecepatan gelombang P dan S meningkat. Meskipun demikian, dapat terlihat rata-rata kecepatan meningkat lebih tinggi sampai harga kadar air meningkat menjadi 11% dan selebihnya peningkatan rata-rata pelan. Penyelidikan benda uji dengan diameter 15.25 cm hasilnya tidak terlihat tetap sampai harga kadar airnya 11% dan setelah melebihi harga itu kecepatan gelombang terlihat lebih cepat dibanding ukuran yang lain.

3. Pengaruh Ukuran pada kecepatan

gelombang

Hasil yang ditabelkan pada Tabel 1, untuk tiga benda uji yang berbeda, menunjukkan ukuran benda uji tidak mempunyai pengaruh yang signifikan pada kecepatan gelombang P dan S. Meskipun demikian, dapat dicatat, seperti kondisi diatas, hasil menunjukkan untuk benda uji dengan diameter 15.25 cm tidak dapat memberikan hasil yang tetap dengan perubahan kadar air. Hal ini dapat disebabkan oleh pemadatan benda uji yang tidak merata dengan besarnya ukuran.

5. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil studi perhitungan kecepatan gelombang gempa menggunakan tes ulatrasonic dan unconfined compression strength test dengan varasi kadar air, kepadatan kering dan ukurannya, maka dapat disimpukan sebagai berikut :

1. Geometri dan permukaan benda uji

menyebabkan efek yang signifikan pada hasil nilai dari penekanan dan kecepatan gelobang geser. Benda uji seharusnya disiapkan dalam keadaan homogen dan kaku supaya terjadi hubungan yang sebenarnya dengan alat tersebut.

2. Pengukuran nilai kecepatan gelombang p dan S terlihat meningkat non linier dengan meningkatnya kepadatan kering dari sampel. Kecepatan gelombang meningkat perlahan hingga pembrian kadar air sampai 11%,dan meningkat cepat setelah itu.

3. Persamaan –persamaan berikut ini dapat digunakan untuk memperkirakan modulus static tanah, unconfined compressive strength, porositas dan kepadatan tanah.

(7)

DAFTAR PUSTAKA

Attewell,P.B. dan Farmer,I.W (1976),

Principles of Engineering Geology,

Chapman and Hall, John Wiley&Sons, Inc.New York

Heyman,J.S dan Chern,E.J (1982),

Ultrasonic Measurement of Axial Stress,

ASTM Journal of Testing and Evaluation Vo. 10, No.5, pp.202-210.

Jaeger, Charles (1972), Roch Mechanics

and Engineering, University Press,

Cambridge.

Leszek, Filipczynski; Pawloski,Zdzislaw; Wehr,Jerzy (1966), Ultrasonic Methods of

Testing Materials, Butterworths, London.

OYO Corporation (1975), Operation

Manual Sonic Viewer, Tokyo, Japan.

Whiteley, Robert.J (1983), Recent

Developments in The Application of Geophysics to Geotechnical Investigation,

Insitu Testing for Geotechnical Investigation, Coffey& Partners, Melbourne.

Gambar 1. Variasi penentuan parameter elastis dengan Ultrasonic

Gambar 2. Hubungan Kecepatan Gelombang Longitudinal dan Modulus

Young untuk batuan.

Gambar 3. Hubungan antara E-static dan

(8)

Gambar 4. Perbandingan kurva hubungan antara rasio kecepatan dan poisson rasio hasil uji ultrasonik dan teori Evison ( 1965)

Tabel 1. Hasil pengukuran kecepatan dari Gelombang P dan Gelombang S

(9)

Tabel 1. Hasil pengukuran kecepatan dari Gelombang P dan Gelombang S(lanjutan)

Gambar 6. Hubungan Kadar Air dan Kecepatan Gelombang P dan S

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Kadar Air (%)

V

p

,V

s (

m

/sec)

Vp Vs

Gambar 7 Hubungan Diameter Sample dan Kecepatan Gelombang P dan S

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Diameter Sample (cm)

V

p

,V

s (

m

/sec)

Vp Vs

Gambar 8. Hubungan Kecepatan Gelombang P (Vp-m/sec) dan Modulus Static (E-kg/cm2) y = 1.0351e0.0075x

R2 = 0.5506

0 2 4 6 8 10 12 14

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00

Vp (m/sec)

E

(

kg

/cm

(10)

Manajemen dan Rekayasa Geoteknik D-10 Gambar 9. Hubungan Kecepatan Gelombang S (Vs-m/sec) dan Modulus Static (E-kg/cm2)

y = 1.3954e0.0093x R2

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00

Vs (m/sec)

Gambar 10.Hubungan Unconfined Compressive Strength dengan Ratio kecepatan Gelombang (Vp/Vs)

y = 317.18e-2.2024x

R2_{= 0.7246}

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

vp/vs

Gambar 11. Hubungan Unconfined Copresive Strength dengan Kecepatan Gelombang P

y = 0.0961x - 8.865

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00

vp (m/sec)

Gambar 12. Hubungan Unconfined Compresive Strength dengan Kecepatan Gelombang S

y = 0.1236x - 4.453

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00

vs (m/sec)

Gambar 13. Hubungan porositas dan ratio kecepatan gelombang P dan S y = 0.1432x + 0.1424

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.60

vp/vs

n

Gambar 14. Hubungan porositas dengan kecepatan gelombang P y = 3E-06x2_{- 0.0016x + 0.5981}

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00

vp (m/sec)

n

Gambar 15. Hubungan porositas dan Kecepatan Gelombang S y = 9E-06x2_{- 0.003x + 0.6007}

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00

vs (m/sec)

n

Gambar 16. Hubungan kepadatan tanah (γ) dengan kecepatan gelombang P (vp)

y = -4E-06x2_{+ 0.004x + 1.2368}

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00

(11)

Manajemen dan Rekayasa Geoteknik D-11 Gambar 17. Hubungan kepadatan tanah (γ) dengan kecepatan gelombang S (vs)

y = -2E-05x2_{+ 0.0073x + 1.2567}

R2_{= 0.9034}

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00

Vs (m/sec)

γ

(

g

r/

cm

3)

Gambar 18. Hubungan angka pori (e) dengan kecepatan gelombang (Vp) y = 1.0151e-0.0024x

R2 = 0.46

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00

Vp (m/sec)

e

Gambar 19. Hubungan angka pori (e) dengan kecepatan gelombang S (Vs) y = 0.935e-0.0033x

R2

= 0.5034

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00

Vs (m/sec)

e

Gambar 20. Hubungan angka pori (e) dengan ratio kecepatan gelombang P dan S (Vp/Vs)

y = 0.4505x - 0.1311 R2_{= 0.5451}

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

Vp/Vs

(12)