PENGARUH PRAPEMBEBANAN TERHADAP KEKUATAN GESER TANAH LUNAK BERDASARKAN UJI TRIAXIAL TERKONSOLIDASI TERBATAS TAKTERDRAINASI

PENGARUH PRAPEMBEBANAN TERHADAP KEKUATAN GESER TANAH LUNAK

BERDASARKAN UJI TRIAXIAL TERKONSOLIDASI

TERBATAS TAKTERDRAINASI

Damrizal Damoerin, Widjojo A. Prakoso dan Definat Ghifari Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik U. I.

Kampus Baru UI – Depok, 16424 Email : damrizal @ eng.ui.ac.id

ABSTRAK

Salah satu metode stabilisasi tanah adalah dengan memberikan beban awal sementara (prapembebanan) pada suatu lapisan tanah di lapangan yang diharapkan dapat meningkatkan kekuatan geser tanah dan mengurangi penurunan yang terjadi setelah tahap konstruksi. Pengujian di Laboratorium dilakukan untuk mensimulasikan kondisi di lapangan. Contoh tanah tidak terganggu yang digunakan untuk pengujian diambil dari daerah Bekasi. Pengujian Laboratorium terdiri dari uji sifat fisik (kadar air natural, berat jenis spesifik, batas atteberg dan analisa saringan burtir) dan sifat teknik (uji konsolidasi tanpa prapembebanan dan uji triaxial terkonsolidasi terbatas takterdrainasi dengan 2 siklus prapembebanan). Dari uji konsolidasi diperoleh nilai tekanan prakonsolidasi (Pc) dan ratio terkonsolidasi berlebih (OCR) tanah asli. Pada uji triaxial,

mula-mula dilakukan tahap penjenuhan sampai nilai koeffisien B, mencapai ≥ 0,90. Kemudian pada tahap konsolidasi, dilakukan prapembebanan pertama sebesar 1,5 Pc selama 4 jam, setelah itu

tegangan sell dikembalikan sesuai dengan kondisi di lapangan selama 24 jam. Setelah itu selanjutnya dilakukan prapembebanan kedua sebesar 2,0 Pc selama 4 jam, kemudian dilakukan

pengurangan tegangan sell seperti semula selama 24 jam. Kemudian dilakukan uji triaxial pada contoh uji sampai regangan mencapai 18 %. Hasil pengujian menunjukkan adanya peningkatan kekuatan geser tanah.

Kata kunci: triaxial, konsolidasi , prapembebanan, tegangan deviator, tekanan air pori, regangan, kekuatan geser

1. PENDAHULUAN

Bangunan yang didirikan diatas tanah lunak harus mempunyai faktor keamanan yang memenuhi syarat terhadap keruntuhan geser dan penurunan yang terjadi tidak boleh melampaui batas yang diijinkan. Salah satu metode stabilisasi tanah di lapangan untuk meningkatkan kekuatan geser tanah dan mengurangi penurunan yang terjadi pada tahap konstruksi adalah dengan memberikan beban awal sementara (prapembebanan) pada suatu lapisan tanah. Chin et al. (2000) memberikan informasi yang rinci tentang perencanaan dan pengawasan pelaksanaan pra pembebanan dilapangan yang antara lain dikatakan bahwa pelaksanaan dilapangan pada umumnya dapat dilakukan dalam satu tahap atau beberapa tahap yang disertai dengan pemasangan vertical drain untuk mempercepat konsolidasi. Wardani SPR (2001), yang melakukan studi di laboratorium terhadap stabilisasi tanah lanau dengan semen dan abu terbang, memberikan prapembebanan terlebih dulu berupa beban siklik awal dan kemudian setelah itu diberikan beban siklik kedua, yang menunjukkan bahwa contoh uji menjadi sedikit lebih teguh dari sebelumnya. Sedangkan Bouferra et al. (2007), yang melakukan penelitian di laboratorium akibat beban siklik tak terdrainasi terhadap pasir yang terlebih dulu diberikan prapembebanan menunjukkan bahwa terdapat pengurangan tahanan pasir terhadap liquifaksi.

Pengujian prapembebanan yang dilakukan di laboratorium adalah mencoba untuk mensimulasikan kondisi pemberian prapembebanan yang cepat di lapangan tanpa pemasangan vertical drain yang mana tanah dasar diperkuat terlebih dulu dengan menggunakan lapisan geosintetis. Pada pengujian triaksial terkonsolidasi terbatas tak terdrainasi, pemberian prapembebanan hanya dilakukan selama 4 jam, yang mana hasilnya kemudian dibandingkan dengan hasil pengujian triaksial takterkonsolidasi takterdrainasi tanpa prapembebanan, sebagaimana yang telah dilakukan oleh Inti (2003)

2. PROSEDUR PENGUJIAN

Pengujian dibagi dalam dua bagian yaitu pertama pengujian sifat fisik dan kedua pengujian sifat teknik. Selanjutnya pengujian sifat teknik terdiri dari dua bagian juga yaitu bagian pertama pengujian konsolidasi tanpa prapembebanan, yang menghasilkan nilai Pc dan OCR, dan bagian kedua pengujian triaksial terkonsolidasi terbatas takterdrainasi

dengan prapembebanan, yang menghasilkan nilai sudut geser dan kohesi tanah.

Pengujian triaxial ini dinamakan pengujian triaksial terkonsolidasi terbatas takterdrainasi karena pemberian prapembebanan dilakukan dengan cepat selama 4 jam yang mana proses konsolidasi yang terjadi belum sepenuhnya selesai. Selama tahap konsolidasi diberikan prapembebanan sebanyak 2 kali.

Adapun tahap pengujian triaxial ini dibagi dalam 3 bagian. Sebagai tahap pertama contoh uji dijenuhkan terlebih dulu hingga mencapai nilai koeffisien B ≥ 0,90. Selanjutnya pada tahap kedua dilakukan proses konsolidasi pada contoh uji yang dibagi dalam 2 bagian. Pada bagian pertama diberikan prapembebanan sebesar 1,5Pc selama 4 jam

dan selanjutkan diberikan tekanan sel seperti tegangan awal yang sesuai kondisi asli tanah yang didiamkan selama 24 jam (unloading). Setelah itu pada bagian kedua, contoh uji dikonsolidasikan lagi untuk kedua kalinya selama 4 jam dengan prapembabanan 2Pc dan dilanjutkan unloading kembali selama 24 jam. Pada tahap ketiga dilakukan

proses kompresi dengan kecepatan 0,1 %/menit sampai mencapai tegangan deviator maksimum dan kemudian dilanjutkan sampai regangan 18 %.

3. HASIL PENGUJIAN & ANALISIS Sifat fisik

Hasil uji sifat fisik disajikan dalam Tabel 1. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa jenis tanah adalah lanau kelempungan dengan plastisitas tinggi.

Tabel 1. Hasil uji sifat fisik No. Parameter sifat fisik Nilai

1 Kadar air natural 64% 2 Berat jenis (Gs) 2,639 3 Berat isi (gr/cm3_{) 1,6 – 1,7} 4 Atterberg limits • Batas cair, wL (%) • Batas plastis, wp (%) • Indeks plastisitas, Ip (%) 84,137 38,190 46,127 5 Analisa butiran • Pasir • Lanau • Lempung 10 71,69 18,31 Sifat teknik Pengujian konsolidasi

Dari pengujian konsolidasi tanpa prapembebanan didapat nilai Pc adalah 137 kPa dengan nilai rasio konsolidasi

berlebih (OCR) adalah 13,564 sehingga tanah termasuk terkonsolidasi berlebih. Nilai Pc ini selanjutnya digunakan

pada pengujian Triaksial Terkonsolidasi Terbatas Takterdrainasi sebagai nilai beban konsolidasi prapembebanan sebesar 1,5Pc dan 2Pc.

Pengujian triaxial terkonsolidasi terbatas takterdrainasi

Berdasarkan hubungan tegangan deviator dengan regangan yang ditunjukkan pada Gambar 1, ketiga contoh uji mengalami tegangan deviator maksimum pada regangan yang relative cukup kecil yaitu sebesar ε < 3,3 % , hal ini menunjukkan bahwa contoh uji menjadi lebih teguh setelah mengalami prapembebanan, yang nilainya dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Nilai tegangan deviator dan regangan σ3 (kPa) ε (%) q (kPa) 50 2,46 78,643 60 2,81 86,829 70 3,16 89,919

Gambar 1. Grafik hubungan tegangan deviator dengan regangan

Tekanan air pori

Berdasarkan grafik hubungan antara tekanan air pori dan regangan pada Gambar 2, terlihat bahwa pada awalnya terjadi kenaikan tekanan air pori positif hingga regangan < 2 % yang kemudian secara bertahap berkurang hingga mencapai tegangan air pori negatif sampai regangan 18 %.

Gambar 2. Grafik hubungan tekanan air pori dengan regangan

Hal tersebut terjadi karena pada awalnya tekanan air pori ikut menahan tegangan yang bekerja pada tanah, yang kemudian mengecil pada saat tanah akan mencapai kondisi runtuh. Hal ini disebabkan karena butiran tanah tidak mampu lagi menahan beban yang bekerja sehingga terjadi retakan yang mengakibatkan kemudian air masuk ke dalam pori-pori contoh uji, sehingga tekanan air pori positif menurun dan kemudian menjadi negatif sampai regangan 18 %. Dari Tabel 3 dapat dilihat nilai tekanan air pori yang terjadi pada tegangan deviator maksimum

Tabel 3. Nilai tegangan deviator maksimum, regangan & tekanan air pori

σ’3 q (kPa) ε (%) ∆u (kPa)

50 78,643 2,4614 - 5 60 86,829 2,8130 - 4 70 89,919 3,1646 - 6

Lintasan kondisi kritis.

Berdasarkan analisa lintasan kondisi kritis dengan p′=[1/3(σ’1 + 2σ’3)] = [1/3(σ1 + 2σ3) – ∆u)] dan q=(σ1 – σ3),

disajikan hubungan antara tegangan deviator (q) dengan tegangan efektif (p′) pada Gambar 3.

Gambar 3. Grafik hubungan tegangan deviator (q) dengan tegangan efektif (p′)

Dari Gambar 3, terlihat bahwa pada awalnya lintasan tegangan mengarah ke kiri namun kemudian mengarah ke kanan sampai mencapai keruntuhan, hal ini terjadi karena perubahan tekanan air pori dari positif ke negatif. Nilai q dan p’ pada saat kondisi kritis disajikan pada Tabel 4. Nilai kemiringan, M dan perpotongan dengan sumbu q yang menyatakan q0 (nilai perkuatan awal tanah) disajikan pada Tabel 5.

Tabel 4. Nilai p′ dan q pada saat kondisi kritis

CU saturasi Preloading selama 4 jam

1,5Pc dan 2Pc σ3 (kPa) p′ (kPa) q (kPa) 50 81,214 78,643 60 92,943 86,829 70 105,97 89,919

Tabel 5. Parameter M dan q0 berdasarkan konsep kondisi kritis

Parameter Nilai

M 0,4555

q0 41,6512

Nilai c’dan

φ′

Nilai parameter M dan q0 pada Tabel 5, digunakan untuk menghitung kohesi (c′) dan sudut geser (φ′) tanah pada

kondisi efektif dengan menggunakan persamaan berikut (Atkinson et al., 1982):

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+

′

=

′

M

xM

6

3

n

si

φ

;

c

_⎟⎟

q

_o

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

′

−

′

−

=

′

φ

φ

sin

6

sin

3

Sehingga didapat φ′ =12 ,2205o _{dan c′ = 20,0460 (kPa)}

Parameter N,

Γ

, dan

λ

.

Parameter ini didapatkan dari persamaan garis grafik hubungan volume spesifik (ν = 1 + e) dengan tegangan efektif (p’) pada Gambar 4, yang kemudian dibuat menjadi grafik volume spesifik dengan ln tegangan efektif (ln p’) pada Gambar 5, berikut ini:

0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 120 140 p' ( k P a ) σ3 (50 kPa) σ3 (60 kPa) σ3 (70 kPa) y = 0,4555 x + 41,6512 T egan gan d evi ator (k P a )

Gambar 4. Grafik hubungan volume spesifik dengan tegangan efektif (p’)

Gambar 5. Grafik hubungan volume spesifik terhadap ln tegangan efektif

Dari grafik volume spesifik (v) terhadap ln tegangan efektif (ln p′) didapatkan garis Normal Consolidation Line (NCL) dengan persamaan v = N - λ ln p′ dan garis Critical State Line (CSL) dengan persamaan v = Γ - λ ln p′ sehingga dengan p’ = 1 kPa diperoleh nilai N, Γ, dan λ seperti ditunjukkan dalam tabel 6.

Pada grafik tersebut letak garis NCL berada di sebelah kiri garis CSL. Hal ini terjadi karena adanya perubahan tekanan air pori positif menjadi negatif (Gambar 2) yang menunjukkan bahwa contoh uji yang mengalami prapembebanan berada dalam kondisi terkonsolidasi berlebih.

Tabel 6. Parameter kemiringan dan volume spesifik Parameter

kemiringan Volume Spesifik Beban

Prapembebanan

1,5Pc dan 2Pc λNCL N λCSL Γ Nilai 0,6131 4,8935 0,6458 5,3616

Jika tekanan sell isotropik yang diberikan semakin besar, maka volume spesifiknya yang terjadi akan semakin kecil seperti terlihat pada Tabel 7 berikut ini:

Tabel 7. Nilai p′ dan v pada saat kondisi kritis

CU saturasi

Prapembebanan selama 4 jam 1,5Pc dan 2Pc σ3 (kPa) p′ (kPa) v (ml) 50 81,214 2,495 60 92,943 2,392 70 105,97 2,289 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 ln p' (kPa) v (ml) σ3 (50 kPa) σ3 (60 kPa) σ3 (70 kPa) y = 0,6131 x + 4,8935 y = 0,6458 x + 5,3616 NCL CSL

4. PENGUJIAN PRAPEMBEBANAN & TANPA PEMBEBANAN Tegangan Deviator & Regangan

Prapembebanan memberikan nilai tegangan deviator (q) yang lebih besar dan regangan dicapai menjadi lebih kecil bila dibandingkan dengan tanpa prapembebanan. Nilai ε dan q, akibat prapembebanan dan tanpa pembebanan dapat dilihat pada Tabel 8 berikut ini:

Tabel 8. Nilai ε dan q

UU Saturasi Tanpa Prapembebanan* CU saturasi Pembebanan selama 4 jam 1,5Pc dan 2Pc σ3 (kPa) ε (%) q (kPa) σ3 (kPa) ε (%) q (kPa) 40 3,48 42,38 50 2,46 78,64 50 3,83 43,66 60 2,81 86,83 60 4,18 45,29 70 3,16 89,92 *) _{(Inti, 2003)}

Sedangkan pada Tabel 9, diperlihatkan besaran kemiringan M dan nilai q0, akibat prapembebanan dan tanpa

pembebanan.

Tabel 9. Gradien M dan q0

Jenis Uji Prapembebanan Gradien _M q0

(kPa) UU saturasi* - 0,075 17,426 CU terbatas (1,5Pc +2Pc) 0,456 41,651 *) _{(Inti, 2003)}

Makin besar nilai M , menunjukkan bahwa tanah mempunyai kekuatan geser yang lebih besar, sedangkan makin besar nilai qo, menunjukkan tanah mempunyai prakonsolidasi yang lebih besar.

Tekanan air pori

Tanah yang mengalami prapembebanan akan mempunyai partikel tanah menjadi lebih rapat. Nilai tekanan air pori dan regangan akibat prapembebanan dan tanpa prapembebanan, disajikan pada tabel 10.

Tabel 10. Nilai ∆u dan ε

UU Saturasi Tanpa Prapembebanan* (qu max) CU saturasi Prapembananan selama 4 jam 1,5Pc dan 2Pc (qu max) σ3 (kPa) ε (%) ∆u (kPa) σ3 (kPa) ε (%) ∆u (kPa) 40 3,48 11 50 2,46 -5 50 3,83 12,5 60 2,81 -4 60 4,18 13 70 3,16 -6 *) _{(Inti, 2003)}

Kekuatan geser

Tanah yang telah mengalami prapembebanan akan mempunyai nilai kompresibiltas yang kecil dan mempunyai partikel-partikel tanah menjadi lebih rapat sehingga nilai c′ dan φ′ meningkat. Nilai parameter kekuatan geser akibat prapembananan dan tanpa pembebanan, disajikan pada Tabel 11 sebagai berikut:

Tabel 11. Parameter kekuatan geser Jenis Tanah c′ φ′ σf τf′ 40 20,45 50 21.21 UU Saturasi* _(tanpa prapembebanan) 17,47 4,28 60 21.96 Critical State 50 30,89 60 33,06 CU Saturasi Prapembebanan selama 4 jam 1,5Pc dan 2Pc 20,06 12,22 70 35,22 *) _{(Inti, 2003)}

Dari hasil diatas terlihat bahwa parameter kekuatan geser (c′ dan φ′ ) meningkat akibat pengaruh prapembebanan.

5. KESIMPULAN

Pengaruh prapembebanan dengan waktu konsolidasi terbatas selama 4 jam pada pengujian triaxial terkonsolidasi terbatas takterdrainasi, menghasilkan kesimpulan sebagai berikut:

Meningkatnya nilai φ′ cukup besar dan nilai c′ tidak terlalu besar.

Tegangan deviator maksimum yang dihasilkan meningkat sebesar 85 % sampai 101 %.

Terjadi tekanan air pori positif pada regangan sampai sekitar 2% dan setelah itu sampai regangan 18 % terjadi tekanan air pori negatif..

Parameter M yang diperoleh meningkat sangat besar dari 0,075 menjadi 0,456.

Ucapan terima kasih

Ucapan terima kasih disampaikan kepada Jurusan Sipil Fakultas Teknik U.I., yang telah membantu memberikan dana untuk penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

Atkinson, J.H., and Bransby, P.L. (1982). The mechanics of soils. McGraw Hill Book Company (U.K.) Ltd.. Bishop, A.W. and Henkel, D. J. (1982). The measurement of soil properties in the triaxial test. Edward Arnold

Ltd., London.

Bouferra, R., Benseddiq, N. And Shahrour, I. (2007). ”Saturation and preloading effects on the cyclic behavior of sand”. International Journal of Geomechanics, ASCE, Vol. 7 No.5, pp. 396 – 401.

Bowless, J.E. (1979), Physical and geotechnical properties of soils. McGraw-Hill, Inc., USA.

Chin, T.Y. and Sew, G.S. (2000). ”Design and construction control of embankment over soft cohesive soils”.

SOGISC- Seminar on Ground Improvement-Soft Clay.

Craig, R.F. (1987), Mekanika tanah (1989). Terjemahan Budi Susilo Soepandji dari Soil Mechanics, Fouth Edition (1987), Erlangga, Jakarta.

Das, B. M. (1985), Mekanika Tanah (Prinsip-Prinsip Rekayasa geotekni - Jilid I, 1994). Terjemahan Noor Endah dan Indrasurya B. Mochtar dari Principles of Geotechnical Engineering (1985), Erlangga, Jakarta. Head, K.H. (1982), Manual of soil laboratory testing volume 3, Pentech Press, Plymouth, London.

Holtz, R.D. and Kovacs. W.D. (1981), An introduction to geotechnical engineering. Prentice – Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J.

Inti, D. (2003), Pengaruh penjenuhan dan tanpa penjenuhan terhadap kekuatan geser tanah dengan uji

triaksial tak terkonsolidasi tak terdrainasi, Skripsi FTUI, Depok.

Laboratorium Mekanika Tanah FTUI (2001), Laporan akhir penyelidikan tanah proyek bangunan gedung sekolah

pondok pesantren An-Nur Pondok Ungu - Bekasi, Depok.

Wardani, SPR. (2001). ”Deformation behaviour of cemented soil under undrained cyclic loading”. Prosiding