ANALISIS KONSOLIDASI MENGGUNAKAN PRELOADING DAN PREFABRICATED VERTICAL DRAIN DENGAN METODE PERHITUNGAN ANALITIS, PLAXIS 2D DAN 3D
PADA PROYEK REKLAMASI BELAWAN PHASE I
TESIS
Oleh :
TIKA ERMITA WULANDARI NIM: 18 7016 012
PROGRAM STUDI S2/S3 TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2020
ANALISIS KONSOLIDASI MENGGUNAKAN PRELOADING DAN PREFABRICATED VERTICAL DRAIN DENGAN METODE PERHITUNGAN ANALITIS, PLAXIS 2D DAN 3D
PADA PROYEK REKLAMASI BELAWAN PHASE I
TESIS
Diajukan untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik pada Program Studi S2/S3 Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh :
TIKA ERMITA WULANDARI NIM: 18 7016 012
PROGRAM STUDI S2/S3 TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2020
Telah Diuji Pada
Tanggal : 01 Desember 2020
PANITIA PENGUJI TESIS:
Ketua : Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE Anggota : Ir. Rudi Iskandar, M.T
Penguji : Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan Dr. Ir. Ahmad Perwira Mulia, M.Sc Medis S. Surbakti, ST, MT, Ph.D
DAFTAR RIWAYAT HIDUP
A. DATA PRIBADI
1. Nama Lengkap : Tika Ermita Wulandari 2. Alamat : Jl. Rejeki No. 9A Medan 3. Tempat/Tgl. Lahir : Medan/03 Desember 1993
4. Agama : Islam
B. RIWAYAT PENDIDIKAN
1. SD : SD Negeri 101766 Bandar Setia 2. SMP : SMP Negeri 1 Percut Sei Tuan 3. SMA : SMA Negeri 1 Percut Sei Tuan 4. Diploma (D3) : Politeknik Negeri Medan 5. Sarjana (S1) : Universitas Medan Area 6. Pascasarjana (S2) : Magister Teknik Sipil USU
C. RIWAYAT PEKERJAAN
1. Staff Pemasaran (Tender) PT. Brantas Abipraya (Persero) 2015 - 2019
ABSTRAK
Permasalahan geoteknik merupakan masalah yang penting, salah satu permasalahan geoteknik adalah penurunan dan daya dukung tanah yang merupakan pondasi dari dermaga. Setiap dermaga direncanakan sedemikian rupa sehingga memiliki beban tertentu dan elevasi tertentu yang terkadang tidak dapat dilayani oleh kondisi tanah eksisting karena karakteristik tanah yang lunak.
Perbaikkan tanah dengan cara pembebanan awal (preloading) dan Prefabricated Vertical Drain (PVD) merupakan salah satu metode yang populer yang digunakan untuk meningkatkan kekuatan geser tanah lunak.
Analisis ini bertujuan untuk menganalisis dan membandingkan besar penurunan konsolidasi secara analitis menggunakan metode Terzaghi 1 Dimensi, metode elemen hingga dengan pemodelan pada Plaxis 2D dan 3D menggunakan tipe mesh very fine dengan data Settlement Plate (S29) di lapangan, menganalisis dan membandingkan besar penurunan konsolidasi dengan metode elemen hingga Plaxis 2D dan 3D dengan beberapa tipe mesh yaitu very coarse, coarse, medium, fine dan very fine dengan data Settlement Plate (S29) di lapangan.
Dari hasil analisis diperoleh besar penurunan konsolidasi menggunakan metode Terzaghi 1 Dimensi yaitu 6,928 m, dengan pemodelan Plaxis 2D menggunakan beberapa tipe yaitu very coarse = 7,432 m, coarse = 7,421 m, medium = 7,466 m, fine = 7,486 m dan very fine = 7,491 m sedangkan penurunan konsolidasi dengan pemodelan Plaxis 3D pada tipe very coarse = 6,874 m, coarse
= 6,983 m, medium = 6,783 m, fine = 6,627 m dan very fine = 6,956 m.
Sehingga dapat disimpulkan besar penurunan konsolidasi menggunakan metode perhitungan analitis dan Plaxis 3D tipe mesh very fine relatif mendekati kondisi yang terjadi di lapangan, dimana besar penurunan settlement plate S29 di lapangan adalah 7,19 m. Pengaruh kehalusan mesh terhadap prediksi besar penurunan pada Plaxis 2D relatif linier dengan persentasi perbandingan pada mesh tipe very coarse = 3,37%, coarse = 3,21%, medium = 3,84%, fine = 4,12% dan very fine = 4,19%. Sedangkan pengaruh kehalusan mesh terhadap prediksi besar penurunan pada Plaxis 3D adalah fluktuatif, dengan persentasi perbandingan penurunan dilapangan pada tipe mesh very coarse = -4,39%, coarse = -2,88%, medium = -5,66%, fine = -7,83% dan very fine=-3,25%. Perbedaan ini dikarenakan data laboratorium tidak mewakili keseluruhan lapisan tanah di lapangan, dimana untuk boring sedalam 60 m hanya terdapat 3 sampel dengan tebal masing-masing sampel adalah 0,5 meter yaitu pada kedalaman 9,5 m – 10 m, 19,5 m – 20 m dan 45,5 m - 46 sedangkan observasi lapangan pengambilan data untuk penurunan dilakukan setiap hari.
Kata kunci : Konsolidasi, Preloading, Prefabricated Vertical Drain, Plaxis.
ABSTRACT
Geotechnical problems are an important problem, one of the geotechnical problems is the reduction and bearing capacity of soil which is the foundation of the dock. Each dock is planned in such a way that it has a certain load and a certain elevation which sometimes cannot be served by existing soil conditions due to soft soil characteristics. Soil improvement by means of preloading and Prefabricated Vertical Drain (PVD) is one of popular methods used to increase the shear strength of soft soil.
This analysis aims to analyze and compare the size of consolidation reduction analytically using the Terzaghi 1 Dimension method, the finite element method with modeling on Plaxis 2D and 3D using the very fine mesh type with Settlement Plate (S29) data in the field, analyzing and comparing the size of consolidation reduction with Plaxis 2D and 3D finite element methods with several types of mesh, namely very coarse, coarse, medium, fine and very fine with Settlement Plate (S29) data in the field.
From the analysis results it was obtained the size of consolidation reduction using the Terzaghi 1 Dimensional method was 6.928 m, with Plaxis 2D modeling using several types, namely very coarse = 7,432 m, coarse = 7,421 m, medium = 7,466 m, fine = 7,486 m and very fine = 7,491 m while the consolidation reduction with Plaxis 3D modeling on very coarse type = 6,874 m, coarse = 6,983 m, medium = 6,783 m, fine = 6,627 m and very fine = 6,956 m.
So it can be concluded that the size of consolidation reduction using analytical calculation method and 3D Plaxis very fine mesh type is relatively close to the conditions that occur in the field, where the size of settlement plate reduction S29 in the field is 7.19 m. The effect of mesh fineness to prediction of size reduction in Plaxis 2D is relatively linear with percentage ratio on mesh very coarse type = 3.37%, coarse = 3.21%, medium = 3.84%, fine = 4.12% and very fine = 4.19%. Meanwhile, the effect of mesh fineness to prediction of size reduction in Plaxis 3D is fluctuating, with percentage ratio of reduction in the field on mesh type very coarse = -4.39%, coarse = -2.88%, medium = -5.66%, fine = -7 , 83% and very fine = -3.25%. This difference is because the laboratory data does not represent the entire soil layer in the field, where for boring 60 m depth there are only 3 samples with a thickness of 0.5 meters for each sample that is at a depth of 9.5 m - 10 m, 19.5 m - 20 m and 45.5 m - 46 while field observations to collect data for reduction were carried out every day.
Keywords : Konsolidasi, Preloading, Prefabricated Vertical Drain, Plaxis.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan pengetahuan pengalaman, kekuatan, dan kesempatan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tesis ini dengan baik dan tepat pada waktunya.
Tesis ini berjudul “Analisis Konsolidasi Menggunakan Preloading dan Prefabricated Vertical Drain dengan Metode Perhitungan Analitis, Plaxis 2D dan 3D Pada Proyek Reklamasi Belawan Phase I”. Tesis ini merupakan syarat untuk menyelesaikan pendidikan program Pascasarjana Sumatera Utara.
Dalam proses pembuatan Tesis ini, penulis telah mendapatkan bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, baik berupa material, spiritual, informasi, maupun administrasi. Oleh karena itu, sudah selayaknya penulis menyampaikan terima kasih banyak kepada :
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE sebagai Dosen Pembimbing I yang telah memberi bimbingan, saran dan motivasi untuk menyelesaikan Tesis ini 2. Bapak Ir. Rudi Iskandar, MT sebagai Dosen Pembimbing II yang telah
memberi bimbingan, saran dan motivasi untuk menyelesaikan Tesis ini
3. Bapak Dr. Ir. Ahmad Perwira Mulia, M.Sc , Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Taringan dan Bapak Medis Sejahtera Surbakti, ST., MT., PhD sebagai Dosen Penguji yang telah memberi kritikan dan saran saran yang membangun agar Tesis ini dapat terselesaikan.
4. Bapak Dr. Muhammad Aswin ST, MT. selaku sekertaris Departemen Magister Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara dan Ibu Dewi Purba yang sudah banyak membantu dalam urusan administrasi perkulian.
5. Terisitimewa untuk kedua orang tua saya, mertua dan suami saya tercinta Muhammad Hafazh Dary, S.T. yang telah memberikan dukungan, semangat dan doa tanpa henti.
6. Rekan-rekan Geoteknik dan Pascasarjana angkatan 2018 atas semangat dan motivasi yang telah diberikan.
Walaupun penulis sudah berupaya semaksimal mungkin, penulis juga menyadari kemungkinan terhadap kekurangan dalam Tesis ini. Oleh karena itu
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR NOTASI ... xiii
BAB I PENDAHULUAN... ... 1
I.1 Latar Belakang... .... 1
I.2 Perumusan Masalah ... 3
I.3 Tujuan dan Manfaat... ... 3
I.3.1 Tujuan ... 3
I.3.2 Manfaat ... 3
I.4 Pembatasan Masalah... ... 4
I.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II KAJIAN PUSTAKA... ... 6
II.1 Tanah ... ... 6
II.2 Parameter Tanah ... ... 7
II.3 Tanah Lunak... ... 9
II.4 Perbaikkan Tanah Lunak... ... 11
II.4.1 Teknik Preloading... 11
II.4.2 Prefabricated Vertical Drain (PVD)... ... 15
II.4.2.1 Material PVD... ... 16
II.4.2.2 Pengistalan PVD... ... 18
II.5 Konsolidasi ... 19
II.5.1 Besar Penurunan Konsolidasi... 25
II.5.2 Waktu Penurunan Konsolidasi ... 26
II.6 Smear Zone ... 28
II.6.1 Perhitungan Efek Smear Zone ... 28
II.7 Metode Elemen Hingga Pada Geoteknik ... 32
II.7.1 Langkah-langkah Umum dalam Metode Elemen Hingga ... 33
II.8 Plaxis ... 37
II.8.1 Sejarah Plaxis ... 37
II.8.2 Tahapan Pada Plaxis ... 38
II.8.3 Data Tanah yang Diminta Pada Plaxis ... 39
II.8.4 Perbedaan Plaxis 2D dengan 3D... 46
II.9 Review Jurnal Terkait ... 47
II.10 Penelitian Reklamasi Belawan ... 56
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... ... 58
III.1 Data Umum Proyek ... 58
III.2 Gambaran Kondisi Tanah... ... 58
III.3 Data Settlement Plate... ... 60
III.4 Spesifikasi dan Instalasi Material PVD... ... 60
III.5 Tahapan Penimbunan Pekerjaan... ... 62
III.6 Parameter Tanah di Lokasi Pekerjaan... ... 63
III.7 Permodelan Plaxis... ... 65
III.8 Metode Pengumpulan Data... ... 66
III.9 Tahapan Penelitian... ... 66
BAB IV HASIL DAN ANALISIS ... ... 69
IV.1 Umum ... 69
IV.2 Perhitungan Analitis Lama Waktu Konsolidasi dengan Metode Terzaghi ... 69
IV.3 Perhitungan Penurunan dengan Efek Smear Zone ... 75
IV.4 Perhitungan dengan Plaxis 2D ... 79
IV.5 Perhitungan dengan Plaxis 3D ... 88
IV.6 Diskusi ... 95
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... ... 101
V.1 Kesimpulan ... 101
V.2 Saran ... 102
DAFTAR PUSTAKA... ... 103 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Problema tanah lunak ... 10
Gambar 2.2 Perencanaan timbunan preloading ... 12
Gambar 2.3 Ilustrasi metode vacuum preloading ... 13
Gambar 2.4 Preloading pada lapisan tanah dasar ... 14
Gambar 2.5 Hasil penurunan akibat preloading ... 14
Gambar 2.6 Fungsi PVD ... 16
Gambar 2.7 Material PVD... 16
Gambar 2.8 Bagian PVD ... 17
Gambar 2.9 Pengistalan PVD ... 18
Gambar 2.10 Urutan pengistalan PVD ... 19
Gambar 2.11 Immediate settlement profile dan contact pressure (a) Pondasi Fleksibel (b) Pondasi Beton ... 20
Gambar 2.12 Variasi tegangan pada lapisan lempung ... 23
Gambar 2.13 Hubungan air pori terhadap waktu ... 24
Gambar 2.14 Skema dan pola pemasangan PVD ... 27
Gambar 2.15 Smear zone ... 28
Gambar 2.16 Kondisi (a) axisymmetric, (b) plane strain... 30
Gambar 2.17 Konversi axisymetris menjadi plane strain (a) axisymetris arah radial (b) plane strain ... 31
Gambar 2.18 Parameter smear zone... 32
Gambar 2.19 Prinsip metode elemen hingga ... 34
Gambar 2.20 Bentuk fungsi perpindahan... 34
Gambar 2.21 Peta lokasi penelitian reklamasi Belawan ... 56
Gambar 3.1 Lokasi pekerjaan reklamasi ... 58
Gambar 3.2 Titik bore-hole 1 (BH-01) ... 59
Gambar 3.3 Kondisi lapisan tanah eksisting ... 59
Gambar 3.4 Titik settlement plate 29 (S29) ... 60
Gambar 3.5 Rencana instalasi PVD ... 62
Gambar 3.6 Input material Plaxis ... 65
Gambar 3.7 Cross section S29 ... 65
Gambar 3.8 Pemodelan lapisan tanah dengan Plaxis ... 66
Gambar 3.9 Bagan aliran penelitian ... 68
Gambar 4.1 Setting material sesuai dengan borelog ... 80
Gambar 4.2 Pemodelan lapisan tanah dan PVD pada Plaxis 2D ... 81
Gambar 4.3 Pemodelan mesh yang digunakan ... 82
Gambar 4.4 Hasil generate mesh diperoleh 11.279 elemen dan 90.711 node ... 82
Gambar 4.5 Tekanan yang terjadi akibat air tanah (max. 81,00 KN/m2 dan min. -628,00 KN/m2) ... 83
Gambar 4.6 Phase perhitungan ... 84
Gambar 4.7 Titik analisa peninjauan (Titik A) ... 85
Gambar 4.8 Grafik perbandingan penurunan Plaxis 2D berdasarkan tipe mesh ... 86
Gambar 4.9 Perbandingan penurunan yang terjadi di lapangan dengan analisis Plaxis 2D (very fine) ... 87
Gambar 4.10 Pemodelan bore hole pada Plaxis 3D ... 88
Gambar 4.11 Pemodelan tanah dan PVD pada Plaxis... 89
Gambar 4.12 Pemodelan PVD 2 baris pada Plaxis 3D ... 89
Gambar 4.13 Hasil generate mesh diperoleh 114.620 elemen dan 156.555 node ... 90
Gambar 4.14 Tekanan yang terjadi akibat air tanah (max. 81,00 KN/m2 dan min. -628,00 KN/m2) ... 91
Gambar 4.15 Phase perhitungan pada tahap staged contruction ... 92
Gambar 4.16 Titik analisa peninjauan ... 93 Gambar 4.17 Grafik perbandingan penurunan Plaxis 3D berdasarkan
tipe mesh ... 94 Gambar 4.18 Perbandingan penurunan yang terjadi di lapangan dengan
analisis Plaxis 3D (very fine) dan 2D (very fine) ... 95 Gambar 4.19 Perbandingan penurunan analisis Plaxis 2D dan 3D ... 98
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Batasan ukuran golongan tanah ... 7
Tabel 2.2 Parameter tanah tidak kohesif dengan kohesif ... 8
Tabel 2.3 Nilai indeks plastisitas dan ragam tanah ... 9
Tabel 2.4 Kriteria tanah lunak ... 10
Tabel 2.5 Hubungan N-SPT dengan berat isi tanah ( untuk tanah lempung ... 40
Tabel 2.6 Hubungan N-SPT dengan berat isi tanah ( untuk tanah pasir... 40
Tabel 2.7 Modulus elastisitas berdasarkan jenis tanah ... 41
Tabel 2.8 Hubungan antara jenis tanah dan modulus elastis ... 42
Tabel 2.9 Nilai koefisien permeabilitas tanah ... 42
Tabel 2.10 Hubungan antara konsistensi dengan nilai kohesi... 43
Tabel 2.11 Nilai Poisson ratio pada tanah ... 44
Tabel 2.12 Hubungan N-SPT, Dr dan Sudut geser ( ) pasir ... 45
Tabel 2.13 Sudut geser berbagai jenis tanah ... 45
Tabel 2.14 Perbedaan Plaxis 2D dengan 3D ... 47
Tabel 2.15 Penelitian reklamasi Belawan ... 57
Tabel 3.1 Persyaratan bentuk PVD pada proyek reklamasi Belawan ... 61
Tabel 3.2 Parameter tanah di lokasi pekerjaan ... 63
Tabel 3.3 Data yang diinput pada program Plaxis ... 64
Tabel 4.1 Lapisan tanah dasar ... 70
Tabel 4.2 Hasil perhitungan tanah secara analitis ... 74
Tabel 4.3 Nilai Kx setelah efek smear zone... 79
Tabel 4.4 Mesh yang dihasilkan pada setiap tipe ... 83
Tabel 4.5 Penurunan hasil analisis Plaxis 2D ... 85 Tabel 4.6 Penurunan hasil analisis Plaxis 3D ... 90 Tabel 4.7 Penurunan hasil analisis Plaxis 3D ... 93 Tabel 4.8 Perbandingan penurunan analisis metode Terzaghi, Plaxis 2D dan 3D tipe mesh very fine dengan data settlement plate S29 ... 96 Tabel 4.9 Penurunan hasil analisis Plaxis 2D dan 3Ddengan beberapa tipe
mesh ... 97 Tabel 4.10 Perbandingan penurunan Plaxis 3D dan 2D tipe mesh very fine .... 99 Tabel 4.11 Perbandingan hasil analisis dengan tesis sdr. Rudianto
Surbakti ………..100
DAFTAR NOTASI
𝛾 Berat isi
c Kohesi tanah
qc Nilai tahanan ujung
N-SPT Jumlah pukulan dari pengujian SPT Besar penurunan konsolidasi primer cc Indeks pemanpatan tanah
H Tebal lapisan tanah eo Angka pori awal
p0 Tegangan vertikal efektif akibat berat sendiri tanah Δ𝑝 Penambahan tegangan efektif
𝛾 Berat isi tidak jenuh tanah 𝛾 Berat isi jenuh tanah
𝛾 Berat isi air
Koefisien yang mempengaruhi kecepatan kembali Indeks pengembangan tanah
T Waktu
Faktor waktu Hdr Panjang aliran
Cv Koefisien konsolidasi
Z Tebal tanah
h Tebal lapisan
Th Faktor waktu untuk drainase arah radial D Diameter zona pengaruh satu drain
Ch Koefisien konsolidasi dengan drainase arah radial tc Waktu konsolidasi dengan PVD
k Koefisien permeabilitas B Setengah dari lebar PVD R Jari jari ekivalen
Rs Radius smear zone
Rw Radius PVD
kax Permeabilitas horizontal kondisi tidak terganggu
ks Permeabilitas horizontal kondisi terganggu kondisi axysimmetric kpl Permeabilitas horizontal kondisi terganggu kondisi plane strain kh Permeabilitas horizontal kondisi tidak terganggu
k’h Permeabilitas horizontal kondisi terganggu 𝑘𝑣𝑒 Koefisien permeabilitas vertical drain 𝑘 Koefisien permeabilitas horizontal tanah 𝑘 Koefisien permeabilitas vertikal tanah l Panjang drainase
De Diameter qw Kapasitas PVD
Regangan arah x Fungsi perpindahan Perpindahan arah x
[ ] Matriks sifat (stiffness) rakitan
{ } Matriks rakitan dari titik simpul yang tidak diketahui { } Vektor rakitan
Tegangan
Modulus elastisitas
Regangan
𝑣 Poisson’s ratio regangan horizontal
regangan vertikal
Sudut geser tanah
Dr kepadatan relatif rw Jari-jari vertical drain rs Jari-jari smear zone re Jari-jari ekivalen Hcr Tinggi timbunan kritis
dw Diameter PVD
rw Jari-jari PVD
dm Diameter Mandrel
s Perbandingan diameter smear zone dengan diameter mandrel k Perbandingan koefisien permeabilitas horizontal dengan koefisien
smear zone
ds Diameter efek smear zone rs Radius efek smear zone
de Diameter ekivalen pengaruh PVD R Radius ekivalen pengaruh PVD B Setengah efek smear zone 2B Lebar efek smear zone
BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Proyek Reklamasi Belawan terbagi menjadi dua phase pekerjaan yaitu phase I dan II dengan luas phase I ± 350 m x 362 m dan phase II ± 400 m x 405 m, reklamasi ini diperuntukkan untuk dermaga. Hasil borelog yang dilakukan menggambarkan bahwa karakteristik tanah eksisting adalah tanah lunak dengan kadar air yang tinggi. Tanah ini umumnya memiliki sifat komprebilitas yang tinggi, permeabilitas yang rendah dan daya dukung yang rendah. Kondisi tersebut merupakan kondisi yang tidak baik jika digunakan sebagai tanah dasar untuk sebuah konstruksi dermaga. Konstruksi akan rusak karena adanya penurunan tanah yang terjadi. Hal ini lebih fatal jika penurunan yang terjadi bersifat setempat.
Kondisi tanah lunak ini tentunya perlu dilakukan perbaikkan tanah sehingga dapat memperkuat tanah sebagai pondasi sebuah dermaga. Proses perbaikkan yang dilakukan yaitu dengan metode pembebanan awal (preloading) dikombinasikan dengan menggunakan Prefabricated Vertical Drain (PVD), kedua metode ini merupakan metode yang populer yang digunakan untuk meningkatkan kekuatan geser tanah lunak. Pembebanan awal dilakukan dengan tujuan mengkonsolidasi lapisan tanah lunak dengan besar pembebanan yang sama atau lebih daripada beban yang akan dipikul oleh tanah baik saat maupun setelah konstruksi. Sedangkan PVD dapat mempercepat proses konsolidasi dengan cara mengalirkan air secara vertikal keatas lalu menuju drainase horizontal.
Telah banyak analisis yang dilakukan untuk memprediksi proses konsolidasi yang terjadi pada reklamasi Belawan baik pada phase I maupun phase II, misalnya Hayati (2018) melakukan analisis pengaruh smear zone pada penurunan dan waktu konsolidasi dengan Plaxis 2D dan 3D pada proyek reklamasi Belawan phase II. Hasil analisis disimpulkan bahwa penurunan yang terjadi pada pemodelan Plaxis 2D dengan memperhitungkan efek smear zone
sebesar 2,288 m dan tanpa efek smear zone 1,922 m sedangkan penurunan pada pemodelan Plaxis 3D dengan efek smear zone 2,077 m dan tanpa efek smear zone 1,930 m. Perhitungan penurunan konsolidasi menggunakan pemodelan Plaxis 3D dengan efek smear zone menghasilkan penurunan yang lebih mendekati nilai di lapangan sesuai dengan data settlement plate yaitu sebesar 1,992 m. Waktu penurunan konsolidasi yang terjadi pada perhitungan Plaxis 2D dan 3D dengan memperhitungkan efek smear zone lebih lama dari pada tanpa memperhitungkan efek smear zone. Perhitungan penurunan dan waktu konsolidasi menggunakan pemodelan Plaxis 3D memberikan hasil yang lebih mendekati kondisi di lapangan dibandingkan pemodelan dengan Plaxis 2D. Ohosimas dan Hamdan (2015) melakukan analisis konsolidasi menggunakan jarak PVD yang berbeda-beda dengan pemodelan axisymetry dan plane strain Plaxis 2D. Hasil penurunan yang didapat pada pemodelan axisymetry dengan jarak antar PVD 2m sebesar 0,7467 m, jarak 2,4m : 0,7471 m, jarak 3 m : 0,7466 m sedangkan pada pemodelan plane strain dengan jarak antar PVD 2m : 0,8664 m, jarak 2,4m : 0,8678 m dan pada jarak 3 m : 0,8658 m. Surbakti, dkk (2020) melakukan analisis sand replacement sebagai counter weight pada proses konsolidasi pada reklamasi Belawan tahap I, analisis ini menggunakan data borelog BH-02 dengan tinjauan settlement plate (S5) dimana area ini berbatasan langsung dengan perairan dan jalur arus masuk kapal. Adapun penurunan yang terjadi dengan pemasangan PVD dengan pola segitiga dengan jarak 1,5 m pada pemodelan Plaxis 2D sebesar 6,404 m dan pada pemodelan Plaxis 3D sebesar 6,356 m.
Dari penelitian sebelumnya belum ada pembahasan tentang penurunan menggunakan Plaxis dengan tipe mesh yang berbeda beda. Sehingga penulis ingin membahas penurunan tersebut dengan bantuan Plaxis 2D dan 3D menggunakan beberapa tipe mesh yaitu very coarse, coarse, medium, fine dan very fine.
Perhitungan juga akan dilakukan dengan metode analitis dengan rumus Terzaghi 1 dimensi. Hasil dari perhitungan Terzaghi 1 dimensi, Plaxis 2D dan Plaxis 3D akan dibandingkan sehingga didapat hasil yang paling mendekati dengan kondisi lapangan. Area yang akan ditinjau adalah area yang berdekatan dengan Bore Hole (BH-01) dengan tinjauan settlement plate (S29) dan perhitungan akan menggunakan efek smear zone (area yang terganggu akibat instalasi PVD). Dari
penelitian dan latar belakang diatas, serta dengan data-data yang didapat dilapangan penulis tertarik untuk menjadikan bahan Tesis yang berjudul “Analisis Konsolidasi Menggunakan Preloading dan Prefabricated Vertical Drain dengan Metode Perhitungan Analitis, Plaxis 2D dan 3D Pada Proyek Reklamasi Belawan Phase I”.
I.2 Perumusan Masalah
Bagaimana menganalisis dan membandingkan besar penurunan konsolidasi secara analitis menggunakan metode Terzaghi 1 Dimensi, metode elemen hingga dengan pemodelan pada Plaxis 2D dan 3D menggunakan tipe mesh very fine dengan data settlement plate (S29) di lapangan, bagaimana pengaruh kehalusan mesh very coarse, coarse, medium, fine dan very fine pada program Plaxis 2D dan 3D terhadap prediksi besar penurunan.
I.3 Tujuan dan Manfaat I.3.1 Tujuan
Adapun tujuan penulisan Tesis ini adalah :
1. Menganalisis dan membandingkan besar penurunan konsolidasi secara analitis menggunakan metode Terzaghi 1 Dimensi, metode elemen hingga dengan pemodelan pada Plaxis 2D dan 3D menggunakan tipe mesh very fine dengan data Settlement Plate (S29) di lapangan
2. Menganalisis dan membandingkan besar penurunan konsolidasi dengan metode elemen hingga Plaxis 2D dan 3D dengan beberapa tipe kehalusan mesh yaitu very coarse, coarse, medium, fine dan very fine dengan data settlement plate (S29) di lapangan.
I.3.2 Manfaat
Manfaat dari penulisan Tesis ini antara lain :
1. Memberikan wawasan untuk penulis dan pembaca tentang penerapan mata kuliah geoteknik khususnya pada masalah perbaikan tanah, dan timbunan.
2. Sebagai referensi khususnya bagi mahasiswa lainnya apabila ingin menulis dengan topik pembahasan yang hampir sama.
I.4 Pembatasan Masalah
Untuk mendapatkan pembahasan yang lebih fokus dalam penulisan Tesis ini dan untuk mempermudan penulis dalam melakukan analisa, maka dibuat batasan – batasan masalah yaitu sebagai berikut :
1. Analisis penurunan konsolidasi pada penelitian ini dilakukan pada titik Bore hole (BH – 01) Proyek Reklamasi Belawan Phase 1.
2. Parameter – parameter tanah yang digunakan dalam analisa dari korelasi nilai N-SPT di lapangan.
3. Tidak membahas aspek hidrologi
4. Analisis hanya dilakukan dengan metode elemen hingga menggunakan Plaxis 2D dan 3D
I.5 Sistematika Penulisan
Penulisan Tesis ini disajikan dalam lima bab dengan sistematika sebagai berikut:
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini berisikan latar belakang, tujuan dan manfaat, pembatasan dan masalah dan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisikan dasar teori, rumus dan segala sesuatu yang digunakan untuk menyelesaikan tulisan ini, yang diperoleh dari buku literatur, tulisan ilmiah, website/search engine, dan hasil penulisan sebelumnya.
BAB III : METODOLOGI PENULISAN
Berisi tentang metodologi yang dilakukan dalam analisa berupa urutan tahapan pelaksanaan dan pencarian data, study literatur hingga analisa data yang telah diperoleh.
BAB IV : HASIL DAN ANALISIS
Bab ini berisi tentang perhitungan besarnya dan lamanya waktu konsolidasi pada Proyek Reklamasi Belawan Phase 1 dengan pemodelan Plaxis menggunakan data – data yang diperoleh.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan kesimpulan dan saran – saran berdasarkan kajian yang telah disimpulkan pada Tesis ini.
BAB II
KAJIAN PUSTAKA
II.1 Tanah
Tanah adalah kombinasi mineral dan unsur organik yang berbentuk padat, gas, dan berair. Tanah terdiri dari lapisan partikel yang berbeda dari bahan aslinya dalam sifat fisik, mineralogi, dan kimia, karena interaksi antara atmosfer dan hidrosfer atau sebab lainnya. Partikel tanah terbentuk dari batuan yang pecah yang telah berubah karena efek kimia dan lingkungan, termasuk cuaca dan erosi.
Partikel tanah tersusun secara longgar, menciptakan formasi tanah yang terdiri dari ruang pori. Mempelajari mode pembentukan tanah sangat penting karena membantu dalam menentukan sifat tanah. Kohesivitas, daya gesekan, keasaman tanah, dan faktor terkait lainnya dapat dengan mudah ditentukan dengan mengetahui tentang jenis tanah yang harus dihadapi. Kita tidak bisa menarik kesimpulan konkret hanya dengan melakukan studi tanah tapi kita pasti bisa mempersempit parameter penelitian kita dengan mempelajari karakteristik dasar tanah seperti warna, tekstur, dan sifat tanah. (Darwis, 2018)
Tanah terdiri dari berbagai fase padat, cair, dan gas, dimana karakteristiknya bergantung pada perilaku fase interaksi ini, dan pada tegangan yang diterimanya.
Fasa padat meliputi tanah liat, mineral non-tanah liat, dan bahan organik. Unsur-unsur ini dikategorikan menurut ukurannya seperti tanah liat, pasir, dan kerikil. Fasa cair terdiri dari air yang mengandung senyawa organik yang tersedia dari tumpahan kimiawi, limbah, dan air tanah, sedangkan fasa gas biasanya udara. Ukuran, bentuk, sifat kimia, kemampuan kompresibilitas, dan daya dukung muatan partikel tanah ditentukan oleh mineralogi tanah, yang merupakan ilmu yang terkait dengan kimia, struktur, dan sifat fisik mineral. Struktur tanah tergantung pada susunan partikel, kelompok partikel, ruang pori, dan komposisinya. Karakteristik dasar ini menentukan jenis struktur yang akan dibangun dan tindakan dukungan eksternal apa, jika ada, harus diambil untuk membuat struktur tersebut bertahan lama dan menanggung.
Tanah merupakan salah satu hal yang wajib diperhatikan karena karakteristik tanah di lapangan bersifat tidak homogen. Sifat tanah dapat berbeda
beda pada jarak tertentu. Jika tanah difungsikan sebagai pendukung pondasi bangunan, tanah tersebut harus memiliki kondisi yang stabil, sehingga apabila sifat tanah yang kurang daya dukungnya harus diperbaiki terlebih dahulu agar mencapai daya dukung tanah yang diperlukan. Selain itu penurunan tanah yang terjadi akibat beban struktur juga menjadi bagian penting.
Penurunan tidak boleh melebihi penurunan yang diijinkan untuk menjaga kualitas struktur bangunan. Salah satu jenis tanah yang mempunyai daya dukung yang rendah adalah tanah lunak. Batasan ukuran golongan tanah dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Batasan ukuran golongan tanah (Das, 1995)
Ukuran Butiran (mm)
Nama Golongan Kerikil Pasir Lanau Lempung
Massachusetts Institute of
Technology (MIT) >2 2 – 0,06 0,06 – 0,002 < 0,002 U. S. Departement of
Agriculture (USDA)
>2 2 – 0,05 0,05 – 0,002 < 0,002
American Association of State Highway and Transportation Officials (AASTHO)
76,2 – 2 2 – 0,075 0,075 – 0,002 < 0,002
Unified Soil Classification System (U. S. Army Corps of Engineers, U. S. Bureu of Reclamation)
76,2 – 4,75 4,75 – 0,075 Halus
(yaitu lanau dan lempung)
< 0,0075
II.2 Parameter Tanah
Parameter tanah merupakan hal yang penting dalam melakukan desain sebuah reklamasi, dan sangat berhubungan terhadap karakteristik tanah. Dengan memiliki parameter tanah, dapat diketahui kekuatan tanah, bidang runtuh tanah, kekakuan tanah, dan sebagainya yang kemudian akan digunakan untuk proses- proses perhitungan selanjutnya.
Data tanah didapatkan melalui beberapa cara, dua diantaranya adalah melalui tes lapangan, dan tes laboratorium, kemudian data tanah yang ada diolah menggunakan rumus korelasi, sehingga diperoleh parameter tanah.
Pada tesis ini, beberapa data tanah telah disediakan oleh konsultan yang melakukan soil investigation, dan yang tidak disediakan akan dihitung menggunakan rumus korelasi. Uji lapangan yang telah dilakukan ialah Standard Penetration Test (SPT), Cone Penetration Test (CPT) dan beberapa tes lainnya.
Tanah secara umum, dibedakan menjadi 2, yaitu:
1. Tanah kohesif dan tidak kohesif
Tanah disebut kohesif yaitu apabila karakteristik fisiknya yang selalu melekat antara butiran tanah sewaktu pembasahan dan/atau pengeringan.
Butiran-butiran tanah bersatu sesamanya, sehingga sesuatu gaya akan diperlukan untuk memisahkannya dalam keadaan kering. Sedangkan pada tanah non kohesif butiran tanah terpisah pisah sesudah dikeringkan dan melekat hanya apabila berada dalam keadaan basah akibat gaya tarik permukaan didalam air, misalnya pasir.
Tabel 2.2 Parameter tanah tidak kohesif dengan kohesif (Sosrodarsono, 1986)
Tanah Tidak Kohesif
Harga N-
SPT <10 10 – 30 30 - 50 >50 Berat isi
(KN/m3) 12 – 16 14 – 18 16 - 20 18 – 23
Tanah Kohesif
Harga N <4 4 - 6 / 6 – 15 16 - 25 >25 Berat isi
(KN/m3) 14 – 18 16 – 18 16 - 18 >20
2. Plastisitas dan konsistensi tanah kohesif
Salah satu karakteristik tanah berbutir halus yang kohesif adalah plastisitas, yaitu kemampuan butiran untuk tetap melekat satu sama lain.
Batas-batas keplastisan tanah bergantung pada sejarah terjadinya dan komposisi mineral yang dikandungnya. Untuk mendefinisikan plastisitas tanah kohesif, diperlukan kondisi fisik tanah tersebut pada kadar air tertentu yang disebut konsistensi. Konsistensi tanah kohesif pada kondisi alamnya dinyatakan dalam istilah lunak, sedang dan kaku. Nilai Indeks Plastisitas dan Ragam Tanah dapat dilihat pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3 Nilai Indeks Plastisitas dan Ragam Tanah (Darwis, 2018)
PI Sifat Ragam Tanah Kohesi
0 Non plastis Pasir Non kohesif
<7 Plastisitas rendah Lanau Kohesif sebagian 7 – 17 Plastisitas sedang Lempung berlanau Kohesif
>17 Plastisitas tinggi Lempung Kohesif
II.3 Tanah Lunak
Tanah lunak adalah tanah-tanah yang jika tidak dikenali dan diselidiki secara seksama dapat menyebabkan masalah ketidakstabilan dan penurunan jangka panjang yang tidak dapat ditolerir. Tanah tersebut mempunyai kuat geser yang rendah dan kompresibilitas yang tinggi.
Dalam rekayasa geoteknik istilah “lunak” dan “sangat lunak” khusus didefenisikan untuk lempung dengan kuat geser seperti ditunjukkan pada Tabel 2.4.
Tabel 2.4 Kriteria tanah lunak (Manual Panduan Geoteknik 1, 2002)
Very Soft Soil Soft Soil
c(t/m2) < 2 2 – 4
qc(kg/cm2) < 6 6 – 10
N-SPT < 2 3 – 10
Dimana: c : kohesi tanah dari pengujian tekan tidak terkekang qc : nilai tahanan ujung dari pengujian sondir
N-SPT : nilai N dari pengujian SPT
Problema utama pembangunan infrastruktur pada tanah lunak adalah daya dukung tanah dasarnya yang relatif rendah dan pemampatan tanah dasarnya yang relatif besar serta berlangsung relatif lama. Apabila tanpa dilakukan perbaikan pada tanah dasarnya terlebih dahulu maka infrastruktur yang dibangun berpotensi akan mengalami kerusakan sebelum mencapai umur yang direncanakan. Problema tanah lunak dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Problema tanah lunak (Teknindo Geosistem, 2016)
II.4 Perbaikan Tanah Lunak
Tanah lunak dapat diperbaiki dengan beberapa metode, salah satunya yang paling sederhana adalah dengan preloading. Namun, preloading umumnya memberikan tingkat konsolidasi rata-rata dari peningkatan yang homogen diseluruh lapisan tanah. Selain itu, tidak ada proses percepatan yang terlibat pada saat proses preloading saja digunakan. Alternatif untuk melakukan preloading adalah untuk memperbaiki tanah lunak dan memastikan lebih banyak peningkatan yang homogen.
Metode lain yang sesuai untuk meningkatkan kekuatan geser tanah lunak termasuk preloading vakum, menurunkan muka air tanah, dan proses elektro- omosis. Masing-masing metode memiliki kelebihan dan kekurangan, tetapi metode preloading dengan kombinasi dengan PVD diterima dengan baik oleh para insinyur yang berlatih.
Menemukan teknik perbaikan tanah lunak yang efektif dan efisien, mengingat keterbatasan waktu proyek dan biaya konstruksi, telah menjadi tantangan terus menerus untuk perusahaan konstruksi. Berbagai metode perbaikan tanah telah diusulkan untuk meningkatkan kekuatan tanah lunak. Dalam dua dekade terakhir, penggunaan PVD telah diakui sebagai metode perbaikan tanah yang sangat efektif dan efisien membantu preloading pada lokasi dengan endapan tanah lunak yang tebal.
Penggunaan PVD dengan metode preloading dianggap pilihan metode yang paling layak untuk teknik perbaikan tanah pada pekerjaan berdasarkan kedalaman lapisan tanah yang akan diperbaiki, biaya, waktu yang tersedia untuk preloading dan pertimbangan lainnya.
II.4.1 Teknik Preloading
Preloading adalah membebani tanah dasar dengan beban sementara sebelum beban struktur yang sebenarnya bekerja. Beban sementara ini akan menimbulkan tekanan dan penurunan terlebih dahulu kepada tanah. Ketika beban
sebenarnya bekerja, penurunan yang terjadi diharapkan akan kecil dan dapat diabaikan.
Salah satu hal penting yang menentukan keberhasilan metode preloading dengan PVD adalah dalam hal perencanaan timbunan preloading. Preloading harus direncanakan sesuai dengan beban konstruksi (construction load) dan beban kerja (work load) yang akan berada di atas tanah dasar. Output hasil perencanaan preload berupa data berat jenis () dan tinggi timbunan preloading (Kuswanda, 2016) Ilusttrasi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Perencanaan timbunan preloading (Kuswanda, 2016)
Preloading merupakan metode yang paling sering digunakan saat ini, Preloading dibagi atas dua bagian umum:
1. Conventional preloading yaitu dengan meletakkan beban preloading di atas lapisan tanah lunak. Air akan mengalir ke atas pori tanah yang permeable.
Beban ini biasanya di biasanya diberikan secara bertahap untuk menjaga stabilitas tanah. Selanjutnya, apabila penurunan yang diinginkan telah tercapai maka beban preloading akan dibuang. Surcharging adalah beban preloading yang melebihi beban akhir struktur. Diberikan dengan tujuan untuk menghasilkan tingkat kompresi yang lebih besar pada tanah lunak dan sedikit rebound saat beban dihilangkan. Teknik Preloading dirancang untuk mengurangi penurunan yang akan terjadi setelah beban rencana bekerja.
Preloading bertujuan meningkatkan tegangan vertikal efektif dan mengurangi kompresibilitas tanah yang lunak dengan memaksa tanah lunak untuk
melakukan konsolidasi. Dengan demikian, proses konsolidasi juga meningkatkan kekuatan tanah lunak dilapangan.
2. Vacuum Preloading merupakan salah satu alternatif untuk emperbaiki tanah lempung lunak jenuh air, pertama kali di perkenalkan oleh Kjellman tahun 1952 (Suhendra, et al., 2011) dimana pompa vakum akan menghisap air dan udara di dalam tanah yang sudah di beri lembaran kedap udara diatasnya, dengan begitu penurunan konsolidasi pada tanah akan terjadi dengan waktu yang lebih cepat dibanding metode terdahulunya.
Gambar 2.3 Ilustrasi metode vacuum preloading (Suhendra dan Edwin, 2019)
Preloading dan vertical drain pada dasarnya bertujuan untuk meningkatkan kekuatan geser pada tanah, mengurangi kompresibilitas/
kemampumampatan tanah, dan mencegah penurunan (settlement) yang besar serta kemungkinan kerusakan pada struktur bangunan. Preloading dan vertical drain umumnya digunakan pada tanah dengan daya dukung yang rendah seperti pada tanah lempung lembek dan tanah organik. Pada prinsipnya teknik preloading menggunakan vertical drains merupakan metode perkuatan tanah dengan cara mengurangi kadar air dalam tanah (dewatering). Biasanya waktu konsolidasi yang dibutuhkan untuk jenis tanah seperti ini memakan waktu yang lama meski dengan menggunakan beban tambahan yang besar, sehingga teknik preloading mungkin kurang cocok untuk jadwal kontruksi yang singkat. Ilustrasinya dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Preloading pada lapisan tanah dasar (Sakleshpur et. al, 2018)
Gambar 2.5 Hasil penurunan akibat preloading (Sakleshpur et. al, 2018)
Dari grafik di atas, dapat dilihat settlement yang terjadi akibat adanya beban tambahan (surcharge) lebih besar daripada beban rencana (design load) pada selang waktu yang sama. Selain dengan menggunakan teknik preloading dan menggunakan beban tambahan sementara (surcharge), peningkatan mutu tanah dapat juga dilakukan dengan menggunakan vertical drains, selain itu waktu konsolidasi pun juga semakin singkat sebab aliran drainase yang terjadi bukan hanya ke arah vertikal tapi juga ke arah horizontal. Drain-drain vertikal tersebut
dapat diisi dengan dengan pasir atau bahan lain yang memiliki permeabilitas besar. Untuk saat ini pengembangannya pun sudah beragam, ada juga yang menggunakan PVD, berupa bahan geotekstil atau bahan sintetis sejenisnya.
II.4.2 Prefabricated Vertical Drain (PVD)
Pada perbaikan tanah dengan pembebanan awal, masalah yang timbul adalah lamanya proses waktu penurunan. Hal ini sering terjadi pada lapisan tanah yang cukup dalam dan mempunyai permeabilitas yang rendah. Untuk mempercepat konsolidasi dan menghemat waktu penurunan timbunan pada tanah lunak, cara yang digunakan adalah membuat saluran vertikal yang mempunyai permeabilitas tinggi, yaitu drainase vertikal.
Untuk mengatasi timbunan tanah tinggi, konsolidasi atau penurunan pada tanah dasar, perlu adanya perencanaan perbaikan tanah dasar. Penggunaan vertikal drain sangat direkomendasikan untuk mengatasi permasalahan tersebut. Untuk mengatasi kelongsoran seperti pekerjaan reklamasi pada tanah lempung lunak dan sangat lunak, untuk mempercepat konsolidasi maka praktisi sering menggunakan teknologi PVD. Teknologi ini mempercepat proses konsolidasi dan meningkatkan kuat dukung tanah sehingga permasalahan kelongsoran dapat dicegah.
Vertical Drain umumnya berupa tiang-tiang vertikal yang mudah mengalirkan air (berwujud seperti sand drain/tiang pasir atau dari bahan geosynthetics (geosintetik) yang dikenal dengan “wick drain” atau juga dikenal sebagai PVD).
Tiang-tiang atau lubang-lubang tersebut dipasang di dalam tanah pada jarak tertentu sehingga memperpendek jarak aliran drainase air pori (drainage path). Vertical drain sebenarnya merupakan jalur drainase buatan yang dimasukkan kedalam lapisan lempung dan mengkombinasikan preloading, dengan cara air pori diperas keluar selama konsolidasi serta mengalir lebih cepat pada arah horizontal dibanding arah vertikal. Selanjutnya, air pori tersebut mengalir sepanjang jalur drainase vertikal yang telah diinstalasi. Oleh karena itu, PVD berfungsi untuk memperpendek jalur drainase dan sekaligus mempercepat proses konsolidasi. Hal ini dapat terlihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Fungsi PVD (Teknindo Geosistem, 2016)
II.4.2.1 Material PVD
PVD umumnya berbentuk pita dengan sebuah inti plastik beralur terbuat dari material geosintesis (material polimer) yang dibentuk seperti potongan yang panjang. Material polimer dapat berupa Material PVC dengan lebar 90 sampai 100 mm, ketebalan 2 sampai 6 mm. PVD dibuat dalam bentuk gulungan serta dipasang dengan minyak khusus sehingga dapat terlindung dari tekanan hidrolik tanah. Gambaran lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Material PVD (Kuswanda, 2016)
Jika menggunakan PVD, maka karekteristik hidroliknya harus diperhatikan dengan seksama, misalnya mengenai kapasitas pengeluaran air dan permeabilitas dari filter dan kuat tekuk serta ketahanannya terhadap degradasi fisik dan biokimia dalam berbagai kondisi cuaca dan lingkungan yang tidak ramah. PVD dibuat untuk menggantikan penggunaan sand drain. PVD dipasang dengan tidak dibor, sehingga penginstalan dapat berlangsung dengan cepat.
PVD biasanya dipasang sampai kedalaman hingga 30 m dengan menggunakan rig penetrasi statis. Untuk yang lebih dalam dibutuhkan rig yang lebih besar untuk mempermudah proses penetrasi.
Waktu terjadinya penurunan berlangsung dalam waktu yang cenderung sangat lama. PVD digunakan untuk mem-percepat laju penurunan konsolidasi dengan cara memperpendek lintasan pengaliran dalam lempung. Ukuran PVD yang umum digunakan adalah lebar 100 mm, dengan tebal 3 – 7 mm. Terdiri dari bagian luar sebagai filter jacket dan drain core (bagian inti sebagai tempat air pori mengalir). Fungsi dari filter jacket sebagai filter untuk membatasi masuknya butiran-butiran tanah halus yang akan menghalangi jalannya pengaliran air. Sedangkan fungsi dari drain core adalah sebagai jalannya aliran, memastikan jalannya aliran yang lurus vertikal, dan sifatnya yang kaku memberikan kekuatan terhadap tekanan horizontal dan aliran. Bagian PVD dapat dilihat pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Bagian PVD (Zhafirah, 2019)
II.4.2.2 Pengistalan PVD
Sistem vertical drain dengan PVD harus dipasang dengan mandrel yang ujungnya tertutup (closed-end mandrel) yang dimasukkan ke dalam tanah baik dengan penetrasi statis maupun penginstallan dengan vibrator. Tingkat kerusakan atau gangguan pada tanah yang ditimbulkannya bergantung pada bentuk dan ukuran dari mandrel dan sepatu yang dapat dilepaskan (detachable shoe) pada dasar mandrel.
Pengistalan PVD dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Pengistalan PVD (Dokumentasi Proyek, 2018)
Pelaksanaan Pengistalan PVD adalah dengan diawali dengan pememasangan sepatu pelat dengan ketebalan yang cukup yang dapat mendukung beban peralatan dan dilanjutkan dengan pengistalan PVD ke dalam tanah sesuai dengan elevasi rencana, proses ini dapat dilihat pada Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Urutan pengistalan PVD (Teknindo Geosistem, 2016)
II.5 Konsolidasi
Konsolidasi (consolidation) adalah suatu proses pengecilan volume secara perlahan-lahan pada tanah jenuh sempurna dengan permeabilitas rendah akibat pengaliran sebagian air pori. Dengan kata lain, pengertian konsolidasi adalah proses terperasnya air tanah akibat bekerjanya beban statis, yang terjadi sebagai fungsi waktu karena kecilnya permeabilitas tanah. Proses ini berlangsung terus sampai kelebihan tekanan air pori yang disebabkan oleh kenaikan tegangan total telah benar-benar hilang. Kasus yang paling sederhana adalah konsolidasi satu dimensi, di mana kondisi regangan lateral nol mutlak ada. Proses konsolidasi dapat diamati dengan pemasangan piezometer, untuk mencatat perubahan tekanan air pori dengan waktunya. Besarnya penurunan dapat diukur dengan berpedoman pada titik referensi ketinggian pada tempat tertentu. (Darwis, 2018)
Secara umum, konsolidasi 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. Penurunan seketika/penurunan elastis terjadi dalam kondisi undrained (tidak ada perubahan volume). Penurunan ini terjadi dalam waktu yang sangat singkat saat dibebani secara cepat. Besarnya penurunan elastis ini tergantung dari besarnya modulus elastisitas kekakuan tanah dan beban timbunan diatas tanah.
Gambar 2.11 Immediate settlement profile dan contact pressure (a) Pondasi Fleksibel (b) Pondasi Beton (Aryansah, 2011)
Perhitungan Immediate settlement dapat menggunakan rumus persamaan 2.1 yaitu:
(2.1)
Dimana :
Sc = Immediate settlement Δσ = Beban timbunan (kN/m2) Es = Modulus elastisitas tanah μs = Poisson’s Ratio
B = Lebar/diameter timbunan (m) Ip = non-dimensional influence factor
Schleicher (1926) mendefinisikan factor Ip ini sebagai :
[ ( √ ) . √ /] (2.2) Untuk m1 = L/B (panjang/lebar beban yang bekerja)
2. Primary consolidation settlement (penurunan konsolidasi primer), yaitu penurunan yang disebabkan perubahan volume tanah selama periode keluarnya air pori dari tanah. Pada penurunan ini, tegangan 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). 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 tegangan air pori. Dari prinsip tegangan efektif, dapat diambil korelasi :
Δσ = Δσ‟ + Δu (2.3)
Dimana :
Δσ‟ = penambahan tegangan efektif Δu = penambahan tegangan 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) 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 saat ini tegangan total akan dipikul seluruhnya oleh butiran tanah (tegangan efektif), sehingga Δσ = Δσ‟. Berikut adalah variasi tegangan total, tegangan air pori, dan tegangan efektif pada suatu lapisan lempung dimana air dapat mengalir keluar struktur tanah akibat penambahan tegangan (Δσ), yang ditunjukan Gambar 2.12.
Gambar 2.12 Variasi tegangan pada lapisan lempung (Aryansah, 2011)
Proses terdisipasinya air pori secara perlahan, sebagai akibat pembebanan yang disertai dengan pemindahan kelebihan tegangan 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 saat
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 :
a. Normally consolidated (Terkonsolidasi secara normal), dimana tegangan efektif overburden saat ini merupakan tegangan maksimum yang pernah dialami oleh tanah selama dia ada.
b. Overconsolidated, dimana tegangan efektif overburden saat ini lebih kecil daripada tegangan yang pernah dialami oleh tanah tersebut. Tegangan efektif overburden maksimum yang pernah dialami sebelumnya dinamakan tegangan prakonsolidasi (preconsolidation pressure/PC).
c. Underconsolidated, dimana tegangan efektif overburden saat ini belum mencapai maksimum, sehingga peristiwa konsolidasi masih berlangsung pada saat sample tanah diambil.
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. Pada akhir konsolidasi primer (setelah tegangan 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 2.13.
Gambar 2.13 Hubungan air pori terhadap waktu (Aryansah, 2011)
II.5.1 Besar Penurunan Konsolidasi
Persamaan penurunan konsolidasi 1-D dari Terzaghi digunakan untuk menghitung penurunan ultimit untuk pekerjaan timbunan sampai pada level rencana. Penurunan konsolidasi dihitung secara terpisah untuk masing-masing lapisan tanah dan dijumlahkan untuk mendapatkan penurunan ultimate konsolidasi untuk setiap pembebanan. Penurunan ultimate untuk tanah lepung yang normal konsolidasi dihitung dengan menggunakan persamaan:
. / (2.4)
Untuk tanah yang berlapis lapis digunakan persamaan:
∑ ( ) ( )
( ( ) ( )
( ) ) (2.5)
Untuk perhitungan Tegangan vertikal efektif akibat berat sendiri tanah dapat dihitung dengan cara :
(2.6)
( ) ( ) (2.7)
Penurunan ultimate untuk tanah lempung yang overkonsolidasi adalah : Apabila ( ) digunakan persamaan:
. / (2.8)
Apabila ( ) digunakan persamaan:
. / (2.9)
dimana:
= Besar penurunan konsolidasi primer,
= Indeks pemanpatan tanah,
= Indeks pengembangan tanah,
H = Tebal lapisan tanah yang akan mampat,
= Tegangan vertikal efektif akibat berat sendiri tanah,
= Penambahan tegangan vertikal efektif,
= Angka pori awal.
II.5.2 Waktu Penurunan Konsolidasi
Waktu penurunan merupakan parameter penting dalam memprediksi penurunan konsolidasi dan yang mempengaruhi waktu penurunan adalah panjang aliran yang dilalui air pori untuk terdisipasi. Dikarenakan permeabilitas tanah lunak kecil, penurunan konsolidasi akan selesai dalam jangka waktu yang lama dan bisa lebih lama dari umur rencana konstruksi. Untuk menghitung waktu penurunan menggunakan Persamaan di bawah ini (Terzaghi, 1996).
(2.10)
t : waktu (tahun) : faktor waktu Hdr : panjang aliran (m)
Cv : koefisien konsolidasi (m2/thn)
Jika lapisan tanah homogen dan mempunyai beberapa nilai Cv, maka harga Cv
yang digunakan yaitu :
((
√ ) (
√ ) (
√ ))
(2.11)
z : tebal tanah (m) h : tebal lapisan (m) Cvi : Cv lapisan-i (m2/thn)
Tanah lunak yang distabilisasi dengan PVD akan memberikan waktu penurunan yang lebih cepat dari pada stabilitas tanah lunak yang tidak di PVD.
Ketika tanah lunak di PVD aliran air pori yang akan terjadi yaitu kearah vertikal dan horizontal. Dalam kasus ideal dianggap bahwa pengaruh pemasangan PVD terhadap permeabilitas tanah dan sifat-sifat konsolidasinya tidak terganggu.
Dalam kenyataannya, khususnya zona tanah di dekat dinding mandrel, dan
kadang-kadang juga pada jarak lumayan jauh telah terjadi gangguan susunan tanah. Lama waktu penurunan konsolidasi dengan vertikal drain dapat dihitung berdasarkan Persamaan (2.12) dibawah ini.
(2.12)
Th : faktor waktu untuk drainase arah radial
D : diameter zona pengaruh satu drain (Gambar 2.14) Ch : koefisien konsolidasi dengan drainase arah radial tc : waktu konsolidasi dengan PVD
Gambar 2.14 Skema dan pola pemasangan PVD (Ariza, 2014)
II.6 Smear Zone
Smear Zone adalah daerah yang terganggu akibat pengistalan PVD. PVD dimasukkan kedalam ke dalam tanah dengan menggunakan mandrel dan diberikan sepatu pada ujungnya. Akibat pemancangan tersebut lapisan tanah yang ditusuk mandrel akan terganggu. Efek smear zone yaitu berkurangnya nilai koefisien permeabilitas tanah arah radial akibat proses peremasan (remoulding) selama pengistalan. Kondisi smear zone dapat dilihat pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15 Smear Zone (Dokumentasi Proyek, 2018)
Pembentukan kembali susunan tanah membuat koefisien konsolidasi radial menjadi berkurang, yang memperlambat proses konsolidasi. Sehingga solusi yang mungkin dilakukan untuk mengatasi efek smear zone akibat instalasi PVD adalah dengan memperkecil luas penampang mandrel akan tetapi, kekakuan mandrel tetap dipertahankan. Barron (1948) dan Hansbo (1979, 1981) menganalisa besar smear zone pada tanah lunak dengan cara mengasumsikan diameter smear zone yang mengalami efek smear di sekitar drainase (Pasaribu et al. 2012). Beberapa peneliti merekomendasikan besar diameter smear zone diantaranya (Sathananthan, 2005).
II.6.1 Perhitungan Efek Smear Zone
Koefisien permeabilitas (k) merupakan salah satu parameter yang penting pada analisis konsolidasi. Umumnya tanah lempung mempunyai koefisien permeabilitas yang relatif kecil dibanding dengan tanah pasir, sehingga proses konsolidasi pada tanah lempung relatif lebih lama
dibanding tanah pasir. Konsolidasi pada tanah lempung relatif lebih lama dibanding tanah pasir. besarnya koefisien permeabilitas tanah akibat efek smear dapat diekuivalen.Ada beberapa macam perhitungan efek smear zone diantaranya adalah sebagai berikut :
1. Metode Hird et al
Dengan metode Hird et al. (1995), koefisien permeabilitas tanah dapat dihitung dengan menggunakan rumusan sebagai berikut:
0 .
/ .
/ .
/ 1 (2.13)
B : ½ dari Lebar
R : ½ de , Jari jari ekivalen Rs : radius smear zone Rw : radius PVD
kax : koefisien permeabilitas horizontal kondisi tanah tidak terganggu ks : koefisien permeabilitas horizontal kondisi tanah terganggu
kondisi axysimmetric.
Menurut Hird et al. proses ekuivalen PVD dapat dilakukan dengan bebarapa cara, yaitu:
- Jarak antar vertikal drain pada kondisi plane strain dapat diubah (perubahan geometri) dengan permeabilitas yang dibuat tetap pada kondisi axisymetris dan plane strain (kax = kpl).
- Koefisien permeabilitas pada kondisi plane strain dapat diubah, dengan geometri yang dibuat sama.
- Mengkombinasi perubahan geometri dan permeabilitas.
Kondisi axisymetris dan plane strain dapat dilihat pada Gambar 2.16.
Gambar 2.16 Kondisi (a) axisymetris, (b) plane strain (Hird, 1995)
2. Metode Indraratna dan Redana
[ . / (
) ( ) ]
(2.14)
kh = permeabilitas horizontal kondisi tidak terganggu k’h = permeabilitas horizontal kondisi terganggu
n = re/rw, s = rs/rw (2.15)
p mewakili kondisi plane strain
rw = (w + t)/π (2.16)
R = 0.5 de= 0.515S (2.17)
( )
( ) (2.18)
( )
( ) , ( ) ( )- (2.19)
khp= 0,67 kh/(ln (n) – 0,75) (2.20)
Verifikasi bentuk penampang PVD dalam permodelan axisymetris dan plane strain dapat dilihat pada Gambar 2.17 di bawah ini:
Gambar 2.17 Konversi axisymetris menjadi plane strain (a) axisymetris arah radial (b) plane strain (Indraratna and Redana, 1997)
3. Metode Chai et al.
Menurut Chai et al. (2001) metode sederhana dalam pemodelan PVD adalah mengubah nilai koefisien permeabilitas vertikal ekivalen tanah pada area vertikal drain sebagai kinerja dari PVD. Adapun besar nilai koefisien permeabilitas tersebut adalah:
.
/ (2.21)
dengan : 𝑣 : koefisien permeabilitas vertical ekivalen, : koefisien permeabilitas horizontal tanah, dan : koefisien permeabilitas vertikal tanah
( )
(2.22)
l = Panjang drainase De = Diameter
qw = kapasitas PVD
Gambar 2.18 Parameter smear zone (Bahan ajar metode elemen hingga dalam rekayasa geoteknik USU, 2019)
II.7 Metode Elemen Hingga Pada Geoteknik
Metode Elemen Hingga digunakan untuk menentukan nilai pendekatan dari persamaan Differensial Parsial dan juga persamaan integral. Ketertarikan untuk mengevaluasi akibat-akibat perubahan bentuk (deformasi, tegangan, temperature, tekanan dan kecepatan fluida) yang diakibatkan gaya seperti beban, tekanan, fluida dan temperature. Tujuan adalah untuk menemukan distribusi akibat ini sering disebut dengan perpindahan atau deformasi (u).
Dilakukan dengan menggunakan konsep diskritisasi dengan cara membagi- bagi benda atas bagian yang kecil yang dinamakan elemen-elemen hingga.
Dilakukan analisis untuk masing-masing elemen yang kecil tersebut sehingga akan lebih mudah peninjauannya dibandingkan dengan secara keseluruhan. Sifat distribusi akibat yang ditimbulkan (deformasi) dalam suatu benda tergantung pada karakteristik sistem gaya yang bekerja dan benda itu sendiri.
Disebut elemen hingga karena ukuran elemen kecil ini berhingga (bukan kecil tak berhingga) dan umumnya mempunyai bentuk geometrik yang lebih sederhana dibandingkan dengan kontinumnya. Dengan menggunakan metode elemen hingga kita dapat merubah suatu masalah yang memiliki jumlah derajat
