6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Penelitian Terdahulu
A. Studi Perilaku dan Mekanisme Interaksi Penggabungan Prefabricated Vertical Drain dan Deep Cement Mixing untuk Perbaikan Tanah Lunak Permasalahan konstruksi di Indonesia yaitu tanah lunak yang sering berhadapan dengan daya dukung rendah dan penurunan tanah yang besar.
Penelitian dilakukan untuk mengembangkan dan memberikan solusi mengatasi permasalahan yang ada. Penelitian ini difokuskan pada perilaku interaksi pada perbaikan tanah lunak dengan penggabungan 2 metode perbaikan tanah yaitu Prefabricated Vertical Drain (PVD) dan Deep Cement Mixing (DCM). Dalam hal ini dilakukan pemodelan berupa timbunan yang berada di atas tanah tanah lunak dengan bantuan berupa program FE profesional Plaxis 2D dengan model material tanah yaitu mohr-coulomb, modified cam clay dan soft soil. Penggunaan perbaikan tanah seperti penelitian terdahulu memiliki interaksi yang berbeda. Pada perbaikan DCM terbukti berhasil menambah besarnya stabilitas tanah lunak sampai bisa menerima beban sedalam 2,3 m berupa timbunan sekali tahapan, dalam hal lain DCM menjadi solusi dalam pengontrolan besaran penurunan tanah yang ada sampai menunjukan suatu penurunan yang lebih kecil dibanding sebelumnya, tetapi penggunaan DCM tidak bisa meningkatkan percepatan waktu konsolidasi yang ada. Sedangkan, penggunaan PVD dapat mempercepat waktu konsolidasi yang ada, dan juga besarnya beban preloading yang diterima. Oleh sebab itu, pengkombinasian PVD dan DCM dapat lebih mempercepat waktu dan mengurangi besarnya penurunan yang ada. (Andri Lesmana dan Endra Susila, 2016).
B. Pemodelan 3D pada Perbaikan Tanah Lunak Menggunakan Metode Deep Mixed Column
Sering dijumpai permasalahan pada konstruksi di atas tanah lunak sebab tanah itu sendiri sebagai tempat bangunan akan berdiri dan dibangun di
7 atasnya. Melihat permsalahan yang ada peneliti terus mencari inovasi dalam mengatasi tanah lunak. Pada penelitian kali ini, peneliti menggunakan metode deep mixed column dengan pemodelan Plaxis 3D. Fungsi metode ini adalah untuk mengurangi besarnya penurunan tanah di bawah timbunan dengan pola persegi. Pemodelan pada penelitian ini dilakukan dengan variasi jarak yaitu;
1,4 m; 1,6 m; 1,8 m dan 2 m serta diameter 0,4 m; 0,6 m dan 0,8 m. Hasil dari penelitian ini didapatkan hasil berupa semakin besarnya diameter dan kerapatan column, penurunan yang terjadi akan lebih kecil dengan waktu konsolidasi yang lebih cepat. Perbaikan yg paling efisien dalam pemodelan ini yaitu dengan diameter column 0,4 m serta jarak 2 m, karena proporsi campuran untuk pengikat lebih sedikit, tetapi tetap bisa mengurangi penurunan yang terjadi pada tanah lunak. (Permatasari, Widya Yunita Dkk, 2017).
C. Perbaikan Pengaruh Jarak Dan Panjang Kolom Deep Soil Mix Tipe Single Square Diameter 3 cm Terhadap Daya Dukung Tanah Ekspansif Permasalahan konstruksi Indonesia merupakan tanah lempung jenis ekspansif. Tanah lempung merupakan tanah yang memiliki daya dukung rendah serta potensi kembang susut tinggi sehingga, membuat bangunan yang di atasnya mengalami kerusakan. Kecamatan Ngasem, Kabupaten Bojonegoro merupakan salah satu wilayah yang terdeteksi mengandung tanah ekspansif. Tanah jenis ini memiliki daya dukung rendah serta potensi kembang susut yang sangat tinggi, sehingga dapat menimbulkan kerusakan infrastruktur di atasnya. Untuk itu perlu dilakukan stabilisasi tanah untuk memperbaiki sifat tanah dengan penambahan bahan stabilisasi berupa kapur.
Kadar kapur yang digunakan sebesar 10% dengan metode deep soil mix (DSM). DSM merupakan upaya perbaikan tanah dengan cara membuat kolom-kolom tanah yang dicampur dengan kapur. Pemodelan benda uji menggunakan kolom DSM berdiameter 3 cm berpola single square dilakukan di dalam box berukuran 30 × 30 × 30cm3. Jarak dan panjang kolom dibuat bervariasi untuk mengetahui pengaruhnya terhadap daya dukung tanah. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa variasi jarak dan panjang kolom berpengaruh terhadap peningkatan nilai daya dukung tanah. Daya dukung
8 maksimum diperoleh pada jarak terdekat dan kolom terpanjang. Persentase tanah stabilisasi mempengaruhi pengembangan (swelling) tanah di mana semakin besar persentase tanah yang distabilisasi maka semakin kecil potensi pengembangan. Persentase swelling paling kecil yaitu sebesar 0,796%.
(Vicky Dwi Astriyanto, 2016).
D. Comparison Of The Effectiveness Of Deep Soil Mix Columns Using 2D and 3D PLAXIS
Studi ini menunjukkan efek 3D dari interaksi kolom tanah. Untuk jarak kolom yang lebih dekat 0,6 m (dua diameter kolom), interaksi menjadi lebih dominan, dan hasil 2D dan 3D bertepatan. Untuk jarak kolom yang lebih umum dari 2 - 2,5 m, ada perbedaan signifikan antara model 2D dan 3D yang perlu dipahami. Pada jarak yang lebih lebar, efek 3-D mendominasi, dan hasil 2-D mungkin tidak dapat diandalkan.
Kesimpulan utama dari studi ini adalah perlunya memahami interaksi deep soil mixing dengan massa tanah di sekitarnya. Perlu adanya rancangan sedemikian rupa pada kolom sehingga menciptakan efek melengkung, dan mengubah distribusi tegangan. Perubahan dalam distribusi tegangan seperti itu harus mudah terlihat dalam keluaran model, baik dalam analisis 2D atau 3D, dan dalam banyak kasus harus tercermin dalam faktor keamanan yang dihitung.
Pengamatan lapangan menunjukkan efek 3D dari interaksi kolom memainkan peran kunci dalam kinerja lapangan kolom pencampuran tanah dalam dalam pekerjaan perbaikan jalan. (Hester Leung, Dkk.)
E. Pengaruh Variasi Jarak dan Panjang Deep Soil Mixing (DSM) 15% Fly Ash Diameter 3 Cm Berpola Pannels Terhadap Daya Dukung Tanah
Ekspansif di Bojonegoro
Tanah ekspansif merupakan jenis tanah yang memiliki daya dukung rendah dan kembang susut yang tinggi. Untuk memperbaiki sifat buruk pada tanah ekspansif dapat dilakukan upaya stabilisasi mekanik maupun kimiawi. Dalam penelitian ini menggunakan stabilitas kimiawi yaitu dengan cara mencampurkan bahan additive (fly ash) pada tanah dengan metode deep soil
9 mixing (DSM). Metode ini merupakan upaya perbaikan tanah dalam yang dilakukan dengan cara membuat kolom-kolom tanah dengan campuran bahan fly ash pada lokasi tanah yang diperbaiki. Dari hasil uji klasifikasi tanah dan uji kosistensi tanah, tanah dari Desa Ngasem, Kab.Bojonegoro, merupakan tanah ekspansif sehingga diperlukan upaya stabilisasi tanah. Penelitian ini dilakukan dengan cara membuat sampel tanah asli dalam box dengan volume tanah 50 × 50 × 20 cm3. Pada pengujian tanah Stabilisasi diberikan diameter kolom 3cm dengan variasi jarak (3 cm; 3,7 5cm dan 4,5 cm) dan panjang (5 cm, 10 cm dan 15 cm) berpola panels. Proses pembebanan dilakukan pada tanah asli dan tanah stabilisasi. Dari hasil analisis menunjukkan bahwa jarak yang semakin dekat dan panjang yang semakin panjang meningkatkan daya dukung tanah. Berdasarkan nilai bearing capacity improvement (BCI), Hasil daya dukung maksimum terjadi pada jarak terdekat (L= 3 cm) dan panjang terpanjang (Df= 15 cm), daya dukung meningkat 179% dari tanah asli. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa pengaruh panjang terlihat lebih dominan dibanding pengaruh jarak, dibuktikan dengan rata-rata peningkatan BCI panjang lebih tinggi dibanding rata-rata peningkatan BCI jarak. Selain itu, kenaikan rasio volume DSM dalam tanah dapat mengurangi potensi pengembangan (swelling). (Ichvan Danny Kurniawan, dkk. 2015)
F. Perbaikan Tanah Ekspansif (Daya Dukung dan Pengembangan) Metode Deep Soil Mixing Pola Single Square Diameter 4,8 cm Dengan
Penambahan Kapur Pada Variasi Kedalaman dan Jarak
Tanah ekspansif tersusun dari mineral lempung yang mempunyai sifat kembang susut yang tinggi apabila terjadi perubahan kadar air, hal ini tentunya akan berpengaruh terhadap daya dukung dari tanah tersebut. Adapun dalam penelitian ini menggunakan metode deep soil mixing pola single square dengan penambahan kapur 8% yang dilakukan dengan cara membuat kolom-kolom tanah stabilisasi dengan variasi jarak dan kedalaman tertentu.
Metode yang dilakukan yaitu membuat benda uji pada box akrilik berukuran 30 × 30 × 30 cm3 dengan volume tanah 30 × 30 × 20 cm3 . Pada lapisan bawah diisi dengan pasir kering setebal 3 cm dengan berat 3,15 kg, instalasi kolom DSM berdiameter 4,8 cm terbagi dalam beberapa variasi jarak antar kolom
10 yaitu 1d, 1,25d dan 1,5d serta variasi kedalaman kolom yaitu 10 cm, 15 cm dan 20 cm, kemudian pada lapisan atas diisi oleh pasir kering setebal 1 cm dengan berat 1,05 kg. Uji pembebanan dilakukan pada titik pusat permukaan benda uji dengan meletakkan pelat baja berukuran 5 × 5 × 2 cm2 yang dibebani oleh dongkrak hidrolik, besarnya beban yang terjadi ditunjukkan dengan load cell dan besarnya penurunan di tunjukkan oleh pembacaan LVDT. Guna mendapatkan beban maksimum dilakukan pembacaan beban hingga tiga kali sama untuk menghasilkan daya dukung batas tanah.
Berdasarkan hasil penelitian dan analisis didapatkan daya dukung tanah asli sebesar 13 kg/cm2, sedangkan ketika dilakukan stabilisasi metode deep soil mixing dengan penambahan kapur 8% terjadi peningkatan daya dukung pada jarak antar kolom 4,8 cm kedalaman 20 cm sebesar 38,4 kg/cm2. Selain itu juga pada jarak dan kedalaman kolom yang sama terbukti dapat menurunkan persentase pengembangan menjadi 0,627% dari persentasi pengembangan tanah asli yang sebesar 5,66%. (Salwa Saputri. 2017)
G. Pengaruh Dimensi dan Konfigurasi Deep Mixed Column Terhadap Kestabilan Tanah Timbunan dengan Pendekatan Elemen Hingga
Deep mixed column merupakan metode perkuatan tanah lunak dengan cara mencampurkan semen atau kapur kedalam tanah sehingga dapat meningkatkan sifat mekanis dari tanah lunak. Deep mixed column umum digunakan dalam perkuatan terutama pada timbunan agar dapat mengurangi penurunan serta meningkatkan kestabilan lereng. Pada pemodelan ini deep mixed column dikombinasikan penggunaannya dengan geotekstil yang dipasang pada lapisan tanah timbunan dengan menggunakan data yang diambil dari Hertsby, Finland. Pemodelan deep mixed column dilakukan terhadap berbagai jenis variasi yaitu pada diameter (0,6 m ; 0,7 m ; dan 0,8 m), jarak antar deep mixed column (1,2 m ; 1,4 m ; dan 1,6 m), dan pola (persegi dan segitiga) yang dianalisis menggunakan program PLAXIS berbasis Elemen Hingga. Dari hasil pemodelan didapatkan bahwa penggunaan deep mixed column dapat mengurangi penurunan yang terjadi hingga 98% dibanding tidak menggunakan deep mixed column. (Candrama Pradipta, 2020)
11 2.2 Tanah
Tanah merupakan definisi dari kumpulan mineral, bahan-bahan organik, dan loose deposits (endapan lepas), letaknya di atas batuan dasar, (Hardiyatmo, H.C., 1992).
Secara teknik, tanah adalah material-material padat yang tersementasi antara satu sama lain dengan bahan organik padat yang telah melapuk disertai dengan pengisi ruang kosong berupa zat cair dan gas. (Das, B.M, 1998). Ruang kosong yang berisi air dan gas yang berada antara partikel-partikel tanah disebut dengan pori-pori.
Dalam pekerjaan bidang Teknik Sipil, tanah ini menjadi hal utama dalam pembangunan. Selain itu, tanah juga sangat berperan dalam merencanakan serta pelaksanaan pembangunan sebab fungsi tanah adalah sebagai penunjang beban di atasnya, maka dari itu tanah dasar yang mau digunakan dalam mendukung konstruksi, sebelumnya harus dipersiapkan dengan baik.
2.3 Klasifikasi Tanah
Bowles (1991) mendefinisikan tanah dari gabungan partikel yang terdiri dari satu atau beberapa di antara jenis berikut:
1. Berangkal (boulder), yaitu jenis batuan yang berukuran besar dengan ukuran 250mm-300mm. Apabila ukuran batuan antara 150 mm–250mm disebut dengan kerakal (clobbes/pebbes).
2. Kerikil (gravel), yaitu jenis batuan dengan besar potongan partikel antara 5 mm-150 mm.
3. Pasir (sand), yaitu jenis partikel dengan ukuran 0,074 mm-5 mm. untuk jenis pasir yang kasar ukuran partikel berkisar antara 3 mm-5 mm sedangkan yang halus ukuran partikelnya adalah <1 mm.
4. Lanau (silt), merupakan jenis tanah dengan partikel berukuran 0,002 mm- 0,074 mm.
5. Lempung (clay), yaitu jenis partikel tanah yang ukurannya <0,002 mm.
6. Koloid (colloids), yaitu jenis partikel mineral yang ukurannya <0,001 mm.
Kelompok tanah berjenis lanau dan lempung diketahui sebagai material berbutir halus berkohesif. Sedangkan, golongan kerikil dan pasir dikenal sebagai material dengan butiran kasar non-kohesif.
12 a) Kerikil (Gravels), yaitu bagian dari batuan yang terkadang mengandung
partikel-partikel mineral quartz, feldspar, dan mineral lain.
b) Pasir (sand) yang sebagian besarnya adalah mineral quartz dan feldspar.
Namun tidak menutup kemungkinan butiran lain mungkin masih ada pada golongan ini.
c) Lanau (silts), bagian besarnya adalah fraksi mikroskopis dari tanah yang ukurannya sangat kecil yang mencakup mineral quartz yang sangat halus, dan beberapa partikel kepingan pipih berupa pecahan dari mineral-mineral mika.
d) Lempung (clays) partikelnya sebagian besar mikroskopis dan submikroskopis (sulit dilihat jelas dengan mikroskop biasa) yang bentuknya berupa kepingan- kepingan pipih dan juga partikel-partikel dari mika, mineral - mineral lempung (clay mineral) dan mineral-mineral sangat halus lainnya.
2.4 Tanah Lunak
Buku panduan geoteknik mendefinisikan tanah lunak sebagai tanah yang terdapat masalah berupa ketidakstabilan dan penurunan berjangka panjangnya tidak dapat ditolerir apabila tidak dikenali dan diselidiki, tanah tersebut memiliki kuat geser yang rendah dan ketermampatan yang tinggi. Dalam hal ini tanah berjenis lunak terbagi dalam 3 jenis, yaitu lempung lunak, gambut, dan lempung organik.
Lempung lunak memiliki kandungan mineral lempung serta kandungan kadar air yang tinggi. Karena hal tersebut kuat geser tanah jenis ini relatif rendah. Dalam panduan geoteknik jenis tanah ini dibagi menjadi 2 konsistensi berdasarkan besaran kuat gesernya, yaitu:
1. Tanah lempung lunak, dengan besaran kuat geser 12,5-25 kN/m2
2. Tanah lempung sangat lunak, dengan nilai kuat geser kurang dari 12,5 kN/m2 Sebagai indikasi dari kekuatannya tanah lempung secara lapangan dapat dilihat penjelasannya pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Indikasi Tanah Jenis Lempung Lunak
Konsistensi Indikasi
Lunak Tanah dapat dibentuk dengan mudah oleh jari tangan
Sangat Lunak Apabila diremas dengan kepalan tangan tanah akan keluar di antara jari tangan
Sumber: Panduan Geoteknik 1
13 Tanah lempung lunak dibagi konsistensinya berdasarkan nilai NSPT, berat isi tanah (γ) dan kuat geser undrained (Cu) menjadi 6 macam (Lambe dan whitmen, 1959).
Pembagian konsistensinya dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2. Sifat-Sifat Tanah Lempung
Konsistensi NSPT 𝜸 (t/m2) Cu (kg/cm2)
Kuat >30 >2 >4
Sangat Kaku 15 − 30 2,08 − 2,24 2 − 4
Kaku 8 − 15 1,92 − 2,08 1 − 2
Teguh 4 − 8 1,76 − 1,92 0,5 − 1
Lunak 2 − 4 1,63 − 1,76 0,25 − 0,5
Sangat Lunak <2 1,44 − 1,63 <0,25
Sumber: Noerhadi Yuniarto,2003
Mayerhoff (1956), mengelompokan konsistensi tanah melalui nilai kuat geser undrained (qu), NSPT, dan berat isi tanah (𝛾). Pengelompokannya jenis tanah tersebut diberikan pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3. Konsistensi Tanah Menurut Mayerhoff
Konsistensi Sangat Lunak Lunak Tegak Kaku Sangat Kaku Keras qu (kPa) 0 − 25 25 − 50 50 − 100 100 − 200 200 – 400 >400
NSPT 0 − 2 2 − 4 4 − 8 8 − 16 16 – 32 >32
𝛄 (kN/m3) 9 − 16 17 − 20 19 − 22
Sumber: Noerhadi Yuniarto,2003
2.5 Tegangan Tanah
Tegangan tanah merupakan gabungan antara tegangan efektif dan tegangan air pori dalam arti lain tegangan tanah dapat dicari dengan perhitungan penjumlahan dari berat volume tanah yang jenuh air dan berat volume air yang berada di atasnya yang dirumuskan dengan:
= ’+ ᴜ (2.1)
Di mana:
: tegangan dalam tanah
’ : tegangan efektif ᴜ : tegangan air pori
Tegangan efektif merupakan tegangan yang ditanggung oleh partikel tanah.
Besaran tegangan efektif dapat dihitung dengan:
’= γt× z (2.2)
14 Di mana
γt : berat isi tanah Z : kedalaman tanah
Tegangan air pori merupakan tegangan yang ditanggung oleh pori air. Secara umum tegangan air pori (u) dapat dirumuskan dengan:
u = γ𝑤× z (2.3)
rumusan di atas berlaku untuk tanah jenuh air tanpa rembesan. Karena tidak adanya rembesan yang diasumsikan seperti Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Tinjauan ’ untuk Tanah Jenuh Air Tanpa Adanya Rembesan
(Sumber : Braja M. Das, 2002)
Pada tegangan total bagian yang diterima oleh air berada di dalam ruang pori yang menerus. Tegangan total bekerja ke segala arah dan sisa dari tegangan totalnya dipikul dengan butiran tanah padat di titik sentuhnya.
Apabila massa tanah yang mengalami suatu perubahan yang disebabkan oleh adanya suatu rembesan air maka tegangan efektifnya akan meningkat atau sebaliknya tergantung dari arah rembesannya.
a. Rembesan air ke atas
Pada saat lapisan tanah yang diasumsikan tanah yang berbutir di dalam suatu silinder yang memiliki rembesan air menuju ke atas yang dikarenakan memiliki peningkatan air melalui saluran dasar pada silinder seperti Gambar 2.2. dan kecepatan pertambahan air dianggap tetap maka kehilangan tekanan yang diakibatkan hal tersebut antara titik a dan b ialah h. untuk perhitungannya dapat dilihat pada persamaan..
15 Gambar 2.2. Tinjauan ’ untuk Tanah Jenuh Air Memiliki Rembesan ke Atas
(Sumber : Braja M. Das, 2002)
• Di titik A
A = H1γw (2.4)
uA = H1γw (2.5)
A′ = H1γw (2.6)
• Di titik B
B = H1 γw + H2 γsat (2.7) uB = (H1+ H2+h) × γw (2.8)
B′ = B − uB (2.9)
• Di titik C
C = H1. γw + z γsat (2.10) uC = (H1+z +h ℎ
H2z) × γw (2.11)
C′ = C − uC (2.12)
b. Rembesan air ke bawah
Untuk keadaan rembesan air ke bawah penganggapannya dapat dicermati sesuai Gambar 2.3. ketinggian aliran air di dalam silinder dianggap tetap.
Dengan gradien hidrolik (i = h
H2) perumusannya dapat dilihat.
16
Gambar 2.3. Tinjauan ’ Tanah Jenuh Air Berembesan ke Arah Bawah
(Sumber : Braja M. Das, 2002)
• Di titik C kedalaman z
C = H1. γw+z γsat (2.13)
uC = (H1+z+i.z) γw (2.14)
C′ = C − uC (2.15)
2.6 Distribusi Tegangan Akibat Beban Luar
Tanah yang apabila dibebani dengan suatu beban seperti pada Gambar 2.4.
memiliki perumusan dasar untuk kenaikan tegangan vertikalnya di suatu titik pada massa tanah sebagai berikut:
Gambar 2.4. Beban Timbunan Trapesium
∆P= 𝑞 × I (2.16)
q= γ × H (2.17)
Untuk nilai I dapat ditentukan dari Gambar 2.5
17 Gambar 2.5. Grafik Osterberg’s
(Sumber : Braja M. Das, 1994)
Batubara adalah batuan yang terbentuk dari material organik yang tertimbun selama jutaan tahun. Batuan ini memiliki sifat mudah terbakar karena memiliki kandungan hidrokarbon. Namun selain hidrokarbon, batubara juga memiliki kandungan lainnya seperti sulfur dan air. Berat jenis (specific gravity) batubara berkisar dari 1,25g/cm3 sampai 1,70 g/cm3, pertambahannya sesuai dengan peningkatan derajat batubaranya. Tetapi berat jenis batubara turun sedikit dari lignit (1,5g/cm3) sampai batubara bituminous (1,25g/cm3), kemudian naik lagi menjadi 1,5g/cm3 untuk antrasit dan grafit sebesar 2,2g/cm3. Berat jenis batubara juga sangat bergantung pada jumlah dan jenis mineral yang dikandung abu dan juga kekompakan porositasnya. Kandungan karbon juga akan mempengaruhi kualitas batubara dalam penggunaan. Batubara jenis yang rendah menyebabkan sifat pembakaran yang baik.
Secara umum, ada 4 jenis batubara, yaitu:
A. Lignit
Batubara jenis lignit memiliki tingkat efisiensi yang sangat rendah. lignite tidak dipasarkan secara luas untuk kebutuhan transportasi atau industri. Lignit biasanya dipakai sebagai bahan bakar PLTU (pembangkit listrik tenaga uap).
18 B. Sub-Bitumen
Sub-bituminous merupakan jenis batubara yang sedikit lebih tua dari lignite namun masih sedikit lunak. Sehingga belum bisa disebut batubara sempurna.
Sub-bituminous juga banyak digunakan pada PLTU.
C. Batubara Bitumen
Bituminous coal adalah jenis batubara berwarna hitam yang paling banyak digunakan pada industri dan PLTU. Jenis batubara ini memiliki kualitas jauh lebih baik dari lignite.
D. Antrasit
Batubara antrasit adalah jenis batubara keras yang berwarna hitam mengkilat, secara fisik memang hampir sama seperti bitumonous coal tapi antrasit memiliki tekstur lebih padat, mengkilat dan lebih sedikit debunya. Meski ini merupakan grade batubara terbaik, penggunaan antrasit pada skala industri cukup jarang. Hal itu dikarenakan jumlah antrasit pada alam itu lebih sedikit dan biaya produksi yang mahal sehingga harganya juga akan sangat mahal.
Dari jenis-jenis batubara di atas dapat disimpulkan penggunaan batubara yang sangat sering digunakan dalam PLTU adalah jenis batubara lignit, sub-bitumen dan batubara bitumen. Untuk massa jenisnya secara umum dapat dilihat pada Tabel 2.4.
Tabel 2.4. Massa Jenis Batubara
No. Nama Benda Massa Jenis (kg/m3)
1 Batubara Antrasit Padat 1.506
2 Batubara Antrasit Rusak 1.105
3 Batubara Bitumen Padat 1.346
4 Batubara Bitumen Rusak 833
Sumber : Gudang Tabel Massa Jenis
2.7 Penurunan (Settlement)
Lapisan tanah apabila diberi beban di atasnya seperti timbunan maka partikelnya akan meningkatkan tegangan, akibatnya tanah tersebut akan mengalami settlement.
Keluarnya air pori pasti akan mempengaruhi kurangnya volume tanah tersebut.
Penyebab dari penurunan lapisan tanah ini adalah dari berkurangnya volume tanah.
Penurunan yang diakibatkan oleh pembebanan secara umum dibagi menjadi a. Penurunan secara seketika
b. Penurunan konsolidasi primer c. Penurunan konslidasi sekunder
19 Penurunan tanah total dari tanah berbutir halus yang jenuh air merupakan jumlah penurunan seketika, penurunan akibat konsolidasi primer dan penurunan akibat konsolidai sekunder. Dalam persamaan bisa ditampilkan sebagai berikut:
St = Si + Sc + Ss (2.18)
Di mana :
St = penurunan total
Si = Penurunan segera atau penurunan seketika Sc = Penurunan yang diakibatkan konsolidasi primer Ss = Penurunan yang diakibatkan konsolidasi sekunder
Penentuan penurunan konsolidasi primer didasarkan pada uji konsolidasi (ASTM D 2435, ASTM D 4186, dan BS 1377–6:1990). Tiga parameter penting yang diperoleh dari uji konsolidasi ialah indeks kompresi (Cc), indeks swell (Cs), dan tekanan prakonsolidasi (P C′ ). Tekanan prakonsolidasi adalah tekanan maksimum yang pernah dialami oleh massa tanah sepanjang sejarahnya. Penurunan konsolidasi, Sc, tergantung pada dua kondisi konsolidasi berikut:
(a) Normally consolidated soils (P′c = P′0, atau nilai overconsolidation ratio OCR = P′c / P′0 = 1):
Sc = CcH
1+ e0logP0+ ∆P
P'0 (2.19)
(b) Overconsolidated soils (P′c > P′0, atau nilai overconsolidation ratio OCR = P′c / P′0 > 1). Pada kondisi ini terdapat dua kategori:
• If P′c ≥ P′0 + ΔP
Sc = CsH
1+ e0logP0+ ∆P
P'0 (2.20)
• If P′c < P′0 + ΔP:
Sc = CsH
1+ e0logPc
P'0+ CcH
1+ e0logP0+ ∆P
P'c (2.21)
Penentuan penurunan segera pada sudut dari beban berbentuk luasan empat persegi panjang fleksibel pada titik pusat adalah:
Si = ΔP.B
𝐸 (1 − µ𝑠2)𝐼𝑝 (2.22) Di mana:
Si = penurunan segera (m)
20 ΔP = tambahan tegangan (kN/m2 )
B = lebar area pembebanan (m) Ip = faktor pengaruh
µ = angka poisson
untuk nilai Ip ditentukan melalui Gambar 2.6.
Gambar 2.6. Faktor Pengaruh Penurunan di Sudut Luasan Segi Empat Fleksibel (Terzaghi)
(Sumber : Bahan Ajar Mekanika Tanah II)
2.8 Stabilitas Tanah
2.8.1 Konsep Stabilitas Tanah
Perubahan nilai densitas tanah dapat memperbaiki tanah ekspansif yang berpotensi kembang susut (Darwis, 2018). Sedikit kembang susut daripada pemadatan densitas tanah yang tinggi serta kadar air yang rendah dapat diakibatkan dari pemadatan nilai densitas dan kadar air di bawah optimum pada Standar Proctor Test.
Tindakan-tindakan yang mengubah sifat tanah asli, untuk menyesuaikan kebutuhan konstruksi yang ada ialah sebagian yang dapat digolongkan ke dalam upaya penstabilitasan tanah.
Stabilisasi tanah dalam hal umum diartikan sebagai penggabungan tanah asli dengan bahan-bahan tertentu dengan tujuan perbaikan sifat teknis tanah tersebut, atau bisa didefinisikan sebagai usaha perubahan atau perbaikan sifat teknis tanah
21 asli supaya dapat terpenuhinya syarat teknis yang telah ditentukan dalam konstruksi.
Secara lebih luas stabilisasi tanah merupakan metode rekayasa tanah asli guna peningkatan dan/atau mempertahankan sifat yang ada pada tanah, agar selalu terpenuhi spesifikasi teknis yang diperlukan. Berbagai spesifikasi teknis yang diperlukan untuk pengoptimalan kinerja suatu konstruksi, diantaranya: nilai kapasitas daya dukung, kuat geser, penurunan (settlement), permeabilitas tanah, dan lain-lain, di mana spesifikasi teknis yang diperlukan sesuai dengan jenis dan fungsi konstruksi yang akan dibangun/dibuat.
2.8.2 Faktor Keamanan
Faktor keamanan/safety factor (SF) merupakan hal yang penting dalam melakukan analisa perencanaan secara menyeluruh. Besaran faktor keamanan dalam desain biasanya bervariasi mulai dari 1,25 - 1,5 tergantung kriteria kondisi yang dihadapi.
Nilai SF yang disarankan dari FHWA-HRT-13-046 dapat dilihat pada Tabel 2.5.
Tabel 2.5. Nilai Desain Tipikal dari Faktor Keamanan Untuk Desain Deep Mixed untuk Mendukung Timbunan
Simbol Deskripsi Jenis Nilai Minimum
untuk Desain Fcc Factor of safety against crushing of the center
isolated deep mix columns 1,3
Fs
Factor of safety against slope stability failure, including global stability and shearing through the deep mixed zone
1,5
F0
Factor of safety against combined overturning and bearing capacity failure of the deep mixed shear walls
1,3
Fc Factor of safety against crushing of the deep
mixed ground at the toe of the deep mixed zone 1,3 Fv Factor of safety against shearing on vertical
planes through the deep mixed zone 1,3
Fe Factor of safety against soil extrusion through
deep mixed shear walls 1,3
Sumber : FHWA-HRT-13-046
2.9 Daya Dukung Tanah
Daya dukung tanah ialah besaran kekuatan yang ada pada tanah dalam menopang tekanan atau beban di atasnya dengan aman tanpa adanya penurunan tanah dan keruntuhan geser yang berlebih. Penurunan akan berada dalam batas izin bukan berarti daya dukun telah aman terhadap keruntuhan. Maka analisis besarnya penurunan perlu dilaksanakan sebab konstruksi mudah mengalami penurunan yang
22 berlebih. Kapasitas daya dukung tanah dipengaruhi oleh sifat tanah dasar dan pertimbangan dari tolak ukur penurunan dan stabilitas yang dispesifikasikan, termasuk faktor keamanan keruntuhan.
Kestabilan tanah merupakan suatu hal penting dalam perencanaan dan pelaksanan di dunia konstruksi. Beban konstruksi didistribusikan secara aksial yang akan diteruskan ke lapisan bawah tanah. Oleh karena itu, untuk melakukan stabilitas dari tanah digunakan dengan berbagai metode pada jenis tanah yang lemah. Stabilitas tanah yang buruk dapat menyebabkan kelongsoran yang disebabkan rendahnya kuat geser tanah, peningkatan beban luar, dan tingginya kadar air (Tumbull dan Hvoralev,1967). Proses stabilitas tanah lunak diperlukan perbaikan tanah seperti salah satu metode yaitu deep cement mixing sehingga dapat menahan beban di atasnya.
2.10 Metode Penanganan Tanah Lunak
Tanah secara natural pada beberapa lokasi berpotensi terdapat atau menimbulkan masalah. Kondisi tanah yang tidak memenuhi spesifikasi dapat diperbaiki dengan rekayasa geoteknik. Rekayasa ini berupa perbaikan sifat-sifat tanah yang bertujuan agar menghasilkan keadaan tanah yang memenuhi ketetapan untuk konstruksi.
Dalam mengembalikan kondisi tanah ke kondisi awal bisa dikerjakan dengan beberapa metode seperti; pemadatan, mixing (pencampuran), pemanasan menggunakan temperatur tinggi, dan metode lainnya.
Ada beberapa hal utama yang ditargetkan dalam perbaikan tanah, yaitu:
1. Mengurangi kompresibilitas dalam avoid settlement.
2. Meningkatkan kekuatan tanah seperti stabilitas, bearing capacity, dan durabilitas.
3. Mengurangi permeabilitas agar tidak terjadi groundwater flow.
4. Meningkatkan permeabilitas untuk menghindari adanya pore water pressure sebagai saluran drainase.
5. Memitigasi terjadinya likuifaksi.
Menurut Ingels dan Metcalf (1972), keadaan tanah yang dikembalikan ke kondisi awal yaitu meliputi; stabilisasi dari volume tanah, daya dukung tanah, permeabilitas tanah dan keawetan dari sebuah tanah.
23 Dalam melakukan perbaikan sifat-sifat tanah lunak perlu diperhatikan juga metode, lama waktu perbaikan serta biaya yang akan dikeluarkan dalam proses tersebut. Hal tersebut dikarenakan proses konsolidasi yang terjadi pada saat perbakan sifat tanah yang memerlukan waktu yang relatif lama.
Dalam metode penangan tanah lunak dikategorikan sebagai berikut:
1. Vibro-replacement
Vibro-replacement merupakan salah satu metode dengan cara memadatkan
tanah lunak yang diaplikasikan menggunakan tulangan pada tanah kohesif dengan stone columns. Dapat diperolehkan tumpuan yang dapat menahan beban yang ringan. Kekurangannya metode vibro-replacement tidak dapat menopang beban yang besar yang berada di atas yang disebabkan, stode columns tidak menyalurkan tegangan ke tanah. Stone columns dapat berfungsi juga sebagai vertical sand drain untuk mempercepat laku konsolidasi tanah.
2. Konsolidasi dinamik
Konsolidasi dinamik merupakan salah satu metode dengan cara menjatuhkan beban dengan berat 8-40 pounder di atas permukaan tanah dengan ketinggian 5-30 m dibantu alat crowler crane. Fungsi dari metode ini untuk meningkatkan nilai kerapatan tanah dideket permukaan dengan tumbukan yang dapat digunakan pada semua kondisi tanah. Perbaikan kerapatan tanah dapat memungkinkan kedalaman sekitar 10 m dengan crowler crane berfungsi untuk menjatuhkan bebas beban di atas permukaan tanah.
3. Metode Deep Cement-soil Mixing
Metode deep cement-soil mixing (DCM) merupakan suatu metode yang digunakan untuk menstabilisasikan tanah lunak dalam meningkatkan kuat geser tanah menggunkan in-situ dan pencampuran tanah dengan pasta semen.
Campuran tersebut akan disatukan kedalam tanah yang akan diperbaiki disaat setelah tanah dilakukan pengeboran dan membentuk satu kolom atau di blok menggunkan mesin deep cement-soil. Ukuran kolom sendiri yaitu berdiameter 0,6 meter- 1,2 meter.
4. Metode Plastic Board Drain.
Metode plastic board drain (PBD) merupakan metode yang biasanya diaplikasikan dalam persiapan proses konsolidasi dengan cara menggunakan
24 aplikasi dari prefabricated vertical drain (PVD). PVD dipasang dengan menyelipkan dalam mandrel (paksi) atau casing (selubung) bor dan dilanjutkan dengan dipancang atau digetarkan kedalam tanah lunak dan menghasilkan bentuk vertical drain. Metode vertical drain bertujuan untuk memperkecil drainase yang sebagai jalannya air pori dari lapisan tanah yang permeabilitasnya rendah ke lapisan permukaan air bebas dan mempercepat laju konsolidasi.
2.11 Perbaikan Tanah Menggunakan Metode Deep Cement Mixing
Perbaikan tanah menggunakan DCM merupakan salah satu metode memasukkan ke dalam klasifikasi metode stabilisasi kimiawi. Pada FHWA-RD-99138 disebutkan bahwa terdapat berbagai macam deep mixing method yang telah mengalami peningkatan di ranah internasional selama beberapa dekade ini. Teknik- teknik ini telah dipercaya dan memiliki nilai sebagai alat untuk merawat, meningkatkan, menahan tanah lunak dalam berbagai aplikasi. Amerika Serikat merupakan tempat lahirnya konsep dari metode ini akan tetapi, yang mengenalkan secara kontemporer deep mixing adalah jepang pada tahun 1986. Perbaikan tanah metode deep mixing mempunyai banyak penyebutan dikalangan Teknik Sipil seperti deep cement mixing, deep soil mixing, deep mixing column, deep cement- soil mixing. Perbaikan tanah metode ini biasa disebut dengan metode DCM.
Metode deep cement mixing digunakan karena apabila ditinjau pada metode perbaikan tanah yang lain seperti perbaikan tanah metode jet grouting, metode DCM biayanya relatif lebih murah, bebas dari getaran, waktu konstruksi lebih cepat, dan ramah lingkungan. Metode perbaikan tanah ini juga dapat diaplikasikan pada banyak jenis tanah. Deep mixing cement sendiri memiliki fungsi untuk memperkecil nilai penurunan yang disebabkan beban di atas. DCM terdapat 2 metode pekerjaan berupa kering dan basah. Metode basah yaitu cara dengan pengikat yang dimasukkan dalam keadaan basah sedangkan, metode kering bahan pengikat dimasukkan hanya dengan udara. Metode basah biasanya menggunakan bubur semen serta air sedangkan, pengikat metode kering menggunakan kapur kering, semen, fly ash atau material lainnya yang dimasukkan kedalam alat pneumatic deep mixed.
25 DCM menggunakan bahan dasar pasta semen dikarenakan bahan-bahan yang digunakan dalam pengerjaannya sangat banyak dipasaran yaitu semen. Oleh sebab itu banyak digunakan perbaikan tanah deep soil-cement mixing menggunakan bahan dasar semen.
Untuk model pembangunan deep cement mixing yang berada di bawah timbunan memiliki bentuk pada Gambar 2.7.
.
Gambar 2.7. Deep Cement Mixing di bawah Timbunan
(Sumber: Execution of Special Geotechnical Works – Deep Mixing, BS EN 14679:2005, 2005)
Pada DCM ada beberapa pola yang biasanya diaplikasikan seperti; square pattern, blocks pattern, panel pattern, triangular pattern serta grid pattern. Untuk formasi yang telah disebutkan di atas dapat perhatikan pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8. Pola umum penerapan deep cement mixing
(Sumber: Kurniawan, I.D., 2015)
Dalam pola square pattern memiliki nilai kolom terisolasi. Di mana nilai dari kolom terisolasi tersebut berupa rasio penggantian area pada tanah. Nilai rasio pada pola square pattern disebut dengan αs,center. Nilai αs,center berkisar dari 0,2 hingga 0,4. Untuk nilai minimum αs,center bisa dihitung melalui persamaan 2.23.
26 αs,center = πd2
4(Scenter)2 (2.23)
di mana:
αs,center = Rasio penggantian area di bawah bagian tengah dari timbunan d = diameter DCM
Scenter = Jarak antar DCM
Gambar 2.9. Ilustrasi Perbaikan Tanah DCM
(Sumber: FHWA-HRT-13-046, 2013)
Analisis stabilitas lereng harus dilakukan untuk menentukan permukaan keruntuhan kritis dan faktor keamanan yang sesuai. Permukaan geser potensial dapat melewati seluruhnya di bawah atau seluruhnya di atas dinding geser campuran dalam, melalui dinding geser campuran dalam, atau sebagian melalui dan sebagian di bawah dinding geser campuran dalam. Kuat geser komposit dari zona campuran di bawah timbunan harus ditetapkan. Di mana besaran kuat geser komposit dari zona campuran tersebut disebut dengan Sdm,center yang dapat dihitung melalui persamaan 2.24.
Sdm,center = max{αs,center(Sdcm)+(1-αs,center)Ssoil ;Ssoil} (2.24)
27 di mana:
Sdm,center = kuat geser komposit dari zona campuran dalam di bawah bagian tengah timbunan (kN/m2)
Ssoil = kuat geser tanah (kN/m2)
Penentuan kuat geser komposit memerlukan besaran nilai dari kuat geser perbaikan tanah deep mixing. Dalam penentuan kuat geser tanah campuran ini perlu penetapan nilai properti dari deep mixing. Nilai desain untuk kuat geser tanah campuran dalam (Sdm) diperkirakan dari kuat tekan tak terkekang yang akan ditentukan (qdm,spec), dengan mempertimbangkan 𝑓𝑐 dan perbedaan antara puncak tak terkekang dan kuat regangan besar terkekang (𝑓𝑟). Untuk besaran Sdm dapat dihitung melalui persamaan 2.25.
Sdm = 1
2𝑓𝑟𝑓𝑐𝑞𝑑𝑚 (2.25)
Di mana:
Sdm = kuat geser tanah campuran dalam (kN/m2) 𝑓𝑟 = strain strengths factor
𝑓𝑐 = curing factor
Strain strengths factor berkisar antara 0,65 - 0,9 untuk timbunan strain strengths factor yang disarankan adalah bernilai 0,8. Curing factor merupakan faktor umur dari pencampuran untuk umur campuran berkisar antara 28 hari sampai dengan 365 hari dengan curing factor berkisar antara 1,00 – 1,48.
2.12 Metode Elemen Hingga (Finite Element Method)
FE method merupakan langkah untuk mendekati masalah secara matematis dibidang Teknik. Inti dari konsep metode ini ialah membagi sebagian bentuk struktur yang kompleks menuju beberapa buah elemen yang kecil. Pada elemen yang ada akan terhubung menjadi node/titik.
Setidaknya dalam setiap node/titik memiliki satu buah derajat kebebasan, sehingga dapat menetukan jumlah entitas. Selain itu suatu titik untuk menghitung besarnya tegangan serta regangan setiap elemen..
Keadaan sebenarnya dapat dicontohkan dengan regangan bidang atau simetris aksial. Pada program ini memakai metode antarmuka berupa grafis yang membuat pengguna mudah untuk memodelkan suatu geometri jaring elemen dengan cepat
28 berdasarkan keadaan penampang melintang pada kondisi yang akan dianalisis.
Program ini memiliki empat sub-program diantaranya adalah masukan, perhitungan, keluaran, dan kurva.
Dilakukan simulasi keadaan lapangan ke dalam program elemen hingga 2D yang dirancang sebagai bagian dari tahap implementasi lapangan. Tujuan dari simulasi ini adalah pendekatan dengan operasi di lapangan.
Pada pemodelan plane strain program elemen hingga 2D pemodelan memiliki persepsi tampilan hasil yang berbeda dengan keadaan aslinya. Oleh karena itu untuk menganalisa menggunakan pemodelan plane strain digunakan reduksi besar diameter perbaikan tanah dikarenakan adanya perbedaan pada pelaksanaan atau pemodelan secara Axysimmetric. Journal of Geo Engineering, Vol. 12, No. 4, pp.
139-140, December 2017, yang digunakan juga oleh Tan, dkk (2008) dan Almeida, dkk (2014) menyebutkan bahwa kolom granular disimulasikan dengan dinding regangan bidang ekivalen di mana setengah dari lebar kolom ditentukan oleh:
bc= Brc2
𝑅2 (2.26)
R = 1,13B (2.27)
di mana:
bc = besaran kolom yang diguanakan pada pemodelan Plane Strain rc = jari-jari kolom
B = setengah dari daerah pengaruh luasan Plane Strain R = jari-jari luasan.
Hubungan antara R dan B diberikan oleh persamaan berdasarkan luas total yang setara dan pola kolom sebagai berikut: (Barron 1948)..
Gambar 2.10. Hubungan Pemodelan Axysimmetric dan Plane Strain
Sumber : Journal of Geo Engineering, 2017
29 Program metode elemen hingga ini memiliki beberapa jenis model dasar, antara lain Linear elastic model, Mohr Coulomb model, Hardening Soil model, Soft Soil model, dan Soft Soil Creep model. Model tanah ini mempunyai tolak ukur tanah yang berbeda satu dengan yang lainnya.
2.12.1 Model Mohr-Coulumb
Perilaku tanah sedikit non-linier saat mengalami perubahan tegangan atau regangan. Namun kenyataannya, kekakuan tanah dipengaruhi oleh tingkat tegangan jalur tegangan, dan tingkat regangan.. Model Mohr-Coulumb adalah model plastis sempurna elastis linier yang sederhana dan terkenal di mana dapat digunakan sebagai pendekatan awal dari perilaku tanah. Bagian elastis linier dari model Mohr- Coulumb merupakan dasar dari hukum Elastisitas Isotropis Hooke. Bagian plastis sempurna berdasar pada karakteristik kegagalan Mohr-Coulomb, yang mana dibangun dalam kerangka plastisitas yang tidak terkait.
Terdapat lima parameter yang dibutuhkan oleh Model Mohr-Coulomb plastis linier elastis sempurna. Parameter ini akrab bagi sebagian besar geo-engineer dan dapat diperoleh dari tes dasar pada sampel tanah. Unit standar dari parameter ini ditunjukkan pada tabel 2.6.
Tabel 2.6. Parameter Umum Model Mohr-Coulomb
Simbol Keterangan Satuan
E Modulus Young kN/m2
ν Poisson’s ratio -
c Kohesi kN/m2
ϕ Sudut geser ◦
ψ Sudut dilatasi ◦
2.12.2 Model Soft Soil
Soft soil model diambil berdasarkan teori yang dikembangkan di Cambridge yaitu Cam – Clay. Batas kekuatan tanah yang dimodelkan berdasarkan parameter kohesi (c), sudut geser (ϕ), dan sudut dilatasi (ψ) seperti pada mohr- coulomb. Tetapi pada nilai kekakuan tanah yang dimodelkan menggunakan parameter yang disebut dengan lamda (λ*) dan kappa () yang merupakan parameter kekakuan yang diturunkan dari uji triaksial maupun oedometer
λ* = 𝐶𝑐
2,3(1+𝑒0) (3.1)
30
= 2𝐶𝑠
2,3(1+𝑒0) (3.2)
Model tanah lunak ini dapat memodelkan hal – hal sebagai berikut :
• Kekakuan yang berubah bersama dengan tegangan (Stress Dependent Stiffness)
• Membedakan pembebanan primer (primary loading) terhadap unloading – reloading.
• Mengingat tegangan pra – konsolidasi.
• Kriteria keruntuhan sesuai dengan teori Mohr – Coulomb.
Secara umum, model soft soil memerlukan parameter pada Tabel 2.7.
Tabel 2.7. Parameter Umum Model Soft Soil
Simbol Keterangan Satuan
λ∗ Modified compression index -
κ∗ Modified swelling index -
c’ Kohesi efektif kN/m2
ϕ Sudur Geser ◦
ψ Dilatancy angle ◦
