23
III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Fisika - Mekanika Tanah dan Laboratorium Hidrolika Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Waktu penelitian dilaksanakan pada Mei – Agustus 2009.
B. Bahan dan Alat 1. Bahan
Bahan yang digunakan pada penelitian ini :
a. Contoh tanah Gleisol yang berasal dari daerah Kebon Duren, Depok. b. Acrylic, lem, pipa, selang, besi siku dan bambu untuk membuat kotak
model
c. Air destilasi, larutan H2O2, dan sodium silikat 2. Alat a. Cangkul b. Pelantak (rammer) c. Wadah/ ember d. Pisau e. Timbangan f. Oven
g. Satu set saringan 840 µm, 420 µm, 250 µm, 105 µm, dan 75 µm
h. Penyemprot air
i. Ring sample
j. Kotak tumbuk manual k. Cawan
l. Sendok pengaduk m. Gelas ukur n. Stopwatch
o. Alat uji kuat geser tanah p. Proctor
q. Desikator r. Komputer C. Metode Pelaksanaan
1. Rancangan Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan dengan tahapan yang sama dengan penelitian terdahulu, tetapi pada penelitian ini tidak menggunakan drainase. Tahapan penelitian disajikan pada Gambar 7.
24 Gambar 7. Diagram alir penelitian
ya tidak tidak ya Program Geo-slope (Slope/W) Selesai
Pembongkaran model tanggul
Pengeringan tanah Pengambilan foto dan pengukuran debit rembesan
Model tanggul dialiri air Pembuatan model tanggul
Uji Kuat geser dan Permeabilitas
Nilai c dan θ
Analisis stabilitas lereng Uji tumbuk manual
RC > 90 %
Pengukuran konsistensi tanah
Uji pemadatan standar Mulai
Pengambilan contoh tanah lalu dikeringudarakan
Pengukuran sifat fisik tanah
25 % 100 x m m m m w c b b a
2. Pengambilan contoh tanah
Contoh tanah yang diambil dikategorikan menjadi contoh tanah terganggu dan tidak terganggu. Untuk bahan timbunan model tanggul digunakan contoh tanah tidak utuh (terganggu). Contoh tanah tersebut diambil dengan menggunakan cangkul pada kedalaman 20-40 cm, kemudian tanah dikeringudarakan agar kadar airnya berkurang sehingga memudahkan dalam pengayakan. Tanah yang kering selanjutnya disaring dengan menggunakan saringan 4760 µm yang sesuai dengan uji pemadatan standar JIS A 1210 -1980. Setelah disaring kadar air tanah di ukur. Jika kadar air tanah telah mencapai kadar air optimum, tanah dimasukkan ke dalam kantong plastik dan ditutup rapat. Jika kadar air tanah kurang dari kadar air optimum, maka dilakukan penambahan air dengan menggunakan penyemprot air.
3. Pengukuran Kadar Air
Pengukuran kadar air pada contoh tanah dilakukan dengan metode gravimetrik atau dengan menggunakan metode JIS A 1203-1978. Kadar air tanah secara gravimetrik dihitung dengan persamaan sebagai berikut (Kalsim dan Sapei, 2003):
...(18) di mana :
w = kadar air tanah (%)
ma = berat basah tanah dan wadah (g)
mb = berat tanah kering dan wadah (g)
mc = berat wadah (g)
4. Analisis ukuran partikel
Analisis ukuran partikel dilakukan untuk menentukan sebaran ukuran setiap butir partikel tanah. Sebaran ukuran partikel ditentukan oleh variasi diameter partikel dan persentase berat setiap fraksi terhadap berat total.
Metode yang digunakan untuk analisis ukuran partikel adalah metode yang merupakan standar JIS A 1204 -1980. Tanah yang lolos saringan 2000 µm (2 mm) diukur kadar air dan konstanta hydrometernya. Dalam pengukuran konstanta hydrometer, tanah ditambahkan larutan H2O2 6% sebanyak 100 ml dengan tujuan untuk menghilangkan bahan organiknya. Larutan tanah
26 ) 18 ...( ... ... ... ... ... ... ... ... ... V Wb t ) 19 ...( ... ... ... ... ... ... ... ... ) 100 ( 100 w t d
dimasukkan ke dalam oven dan didiamkan selama 1 jam, kemudian ditambahkan air destilasi sebanyak 100 ml. Larutan didiamkan selama ±18 jam, kemudian dipindahkan ke wadah pengaduk (stirer), lalu ditambahkan larutan sodium silikat 5% sebanyak 20 ml dan air destilasi sampai ¾ bagian wadah. Tanah diaduk selama 10 menit, kemudian dipindahkan ke dalam gelas ukur yang berukuran 1000 ml. Pembacaan hydrometer dilakukan pada selang waktu 0.5, 1, 2, 5, 15, 30, 60, 240, dan 1440 menit.
Dari pembacaan hydrometer diketahui diameter dan persentase fraksi tanah yang digambarkan pada grafik semilog. Dari hasil grafik yang diperoleh dapat diketahui nilai tekstur tanah tersebut. Peralatan untuk analisis ukuran partikel dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Alat dan bahan analisis ukuran partikel 5. Kerapatan isi tanah (Bulk Density)
Pengukuran berat isi dilakukan pada contoh tanah utuh di mana berat isi merupakan berat tanah kering oven yang terdapat dalam volume tanah utuh. Perhitungan berat isi menggunakan persamaan berikut (Sunggono, 1984):
di mana:
ρt = berat isi basah (g/cm3)
27 Wb = berat tanah basah (g)
V = volume tanah (cm3) w = kadar air (%)
Pada uji pemadatan, nilai berat isi kering maksimum dari beberapa selang kadar air merupakan tingkat kepadatan maksimum dari suatu pemadatan. Kadar air pada berat isi maksimum tersebut merupakan kadar air optimum dari suatu pemadatan.
6. Pengujian Konsistensi Tanah d. Batas cair (liquit limit = LL)
Pengujian batas cair dilakukan dengan cara meletakkan contoh tanah yang sudah disaring ke permukaan gelas, kemudian ditambahkan air destilasi dan diaduk sehingga membentuk pasta. Pasta tanah dimasukkan ke dalam mangkuk, kemudian dibuat goresan sampai mengenai bagian bawah dari mangkuk. Alat penentu batas cair diputar dengan kecepatan tertentu sampai goresan pada tanah bertemu dan dihitung jumlah ketukannya. Pengukuran kadar air dilakukan secara gravimetrik dengan mengambil sedikit contoh tanah dari mangkuk. Jika kadar air telah diketahui, maka dibuat suatu grafik kadar air terhadap banyaknya ketukan. Batas cair yang didapatkan adalah kadar air dengan jumlah ketukan sebanyak 17.
e. Batas plastis (plastic limit = PL)
Metode pengukuran yang digunakan untuk penentuan batas plastis adalah metode standar JIS A 1206-1970. Jika tanah yang telah digulung-gulungkan telah mencapai diameter tersebut dan tidak pecah, pekerjaan diulang dengan menambahkan sedikit tanah kering. Jika diameter tanah kurang dari 3 mm dan pecah, maka pekerjaan dihentikan dan tanah diukur kadar airnya. Nilai kadar air tanah yang didapatkan merupakan batas plastis tanah yang dicari.
f. Indeks plastis (plasticity index = PI)
Indeks plastis menunjukkan nilai kadar air tanah pada saat tanah dalam kondisi plastis. Jika tanah mempunyai interval kadar air yang kecil di daerah plastis, maka tanah itu disebut tanah kurus. Sebaliknya, jika tanah mempunyai interval kadar air yang besar di daerah plastis, maka tanah itu disebut tanah
28 ) 23 ...( ... ... ... ... ... ... ... V L N H W CE ) 24 ( ... ... ... %... 100 um laboratori di percobaan maks lapangan RC d d
gemuk (Bowles, 1989). Nilai-nilai batas cair dan plastis yang diperoleh diplotkan dalam grafik plastisitas untuk klasifikasi tanah yang diuji. Sistem klasifikasi yang digunakan adalah Sistem Klasifikasi Tanah Unified (Unified Soil Classification System). Indeks plastisitas dinyatakan dengan rumus:
PL LL
PI ...(22) 7. Uji tumbuk manual
Tanah yang merupakan bahan timbunan tanggul dipadatkan dengan menggunakan alat tumbuk manual yang mempunyai berat, tinggi jatuh, jumlah tumbukan, jumlah lapisan, dan energi serta frekuensi penumbukan yang telah diperhitungkan sehingga jumlah tumbukan (besar energi yang diberikan) akan menunjukkan kepadatan maksimum dan kadar air optimum tanah. Jumlah energi yang diberikan pada saat melaksanakan pemadatan tanah dapat dihitung menggunakan persamaan berikut (Proctor, 1933 dalam Bowles, 1989):
dimana:
CE = jumlah energi pemadatan (kJ/ m3) W = berat palu (kg)
H = tinggi jatuh palu (m)
N = jumlah penumbukan pada setiap lapisan L = jumlah lapisan
V = volume cetakan ( m3)
Pengujian tumbuk manual dilakukan untuk menentukan nilai ρd dari pemadatan di lapangan, yaitu pada proses pembuatan tanggul. Nilai ρd dihitung dengan persamaan kepadatan relatif (RC) yang didefinisikan sebagai berikut (Bowles, 1989):
di mana:
RC = Kepadatan relatif (%) ρd = Berat isi kering (g/m3)
29 ) 25 ...( ... ... ... ... ... ... ... ... 1 2 v m m t ) 26 ...( ... ... ... ... ... ... ... ... 100 100 w t d ) 27 ...( ... ... ... ... ... ... ... 100 / / 1 Gs w t dsat
Nilai RC berkisar antara 90 - 105 % yang ditentukan berdasarkan ρd, sifat – sifat indeks, klasifikasi dan uji performansi. Pengujian RC ditentukan dari percobaan di laboratorium, percobaan standar (uji proctor), dan dari energi pemadatan.
Gambar 9. Peralatan uji tumbuk standar (uji proctor)
Uji pemadatan dilakukan dengan menggunakan alat pemadat (tumbuk) manual seperti pada Gambar 10. Perhitungan untuk pemadatan tanah meliputi (Bowles, 1989):
a. Berat isi basah (ρt)
b. Berat isi kering (ρd)
c. Berat isi jenuh (ρdsat)
di mana:
m1 = berat cetakan dan piringan dasar (g)
m2 = berat tanah padat, cetakan dan piringan dasar (g)
v = kapasitas cetakan (m3) Gs = berat jenis tanah (g/cm3) w = kadar air (%)
30 ρdsat = kerapatan isi kering jenuh tanah (g/m3)
Tabel 6. Spesifikasi uji tumbuk manual
(a) (b) Gambar 10. Kotak tumbuk manual (a) dan penumbuk (b) 8. Pembuatan model tanggul
Model dalam istilah teknologi adalah representasi suatu masalah dalam bentuk yang lebih sederhana sehingga lebih jelas dan mudah dikerjakan. Model yang baik cukup mengandung bagian-bagian yang perlu saja.
Menurut Hutabarat dan Budi, 2009, bentuk model dapat dinyatakan dalam beberapa jenis, yaitu :
Model Ikonik: Model ikonik memberikan visualisasi atau peragaan dari permasalahan yang ditinjau. Dapat berupa foto udara, maket, grafik dan pie chart.
Model Analog: Model analog didasarkan pada keserupaan gejala yang ditunjukkan oleh masalah dan dimiliki oleh model. Misalnya modelisasi
Elemen Satuan Nilai
Berat Rammer kg 2.05 Tinggi jatuhan m 0.3 Saringan µm 4760 Tanah yang dicetak Panjang m 0.4 Lebar m 0.3 Tinggi m 0.1 Energi pemadatan kJ/m3 241.33
31 ) 28 ...( ... ... ... ... ... ... ... ... L L tm l t N Nmodel
masalah lalu lintas disuatu kota dengan simulator rangkaian listrik dengan menganalogikan arus lalu lintas terhadap arus listrik. Contoh lainnya adalah dengan menganalogikan gelombang suara terhadap gelombang permukaan air, sehingga karakteristik suara (akustik) dalam suatu ruangan auditorium dapat dipelajari dengan membuat model ruangannya dan merapatkannya dalam bak dangkal berisi air yang digetarkan.
Model Matematik/Simbolik: Model matematik/simbolik menyatakan secara kuantitatif persamaan matematik yang mewakili suatu masalah. Model matematik merupakan bahasa yang eksak, memberikan hasil kualitatif, dan mempunyai aturan (rumus, cara pengerjaan) yang memungkinkan pengembangannya lebih lanjut.
Pembuatan model matematik diawali dengan pengamatan dan pendefinisian masalah yang biasanya dibantu bila dibuat terlebih dahulu model ikoniknya. Kemudian memilihkan persamaan matematik yang mewakili masalahnya, baru setelah itu menarik interpretasi dan membahas lebih lanjut.
Model tanggul yang dibuat termasuk ke dalam model ikonik. Model tanggul dibuat di dalam sebuah kotak model yang digunakan untuk mengontrol kedalaman air kurang dari 1.5 m dengan lebar atas minimum tanggul 1.5 m. Tanggul merupakan model dengan skala 1 : 12 dari ukuran yang umum di lapangan, sedangkan kemiringan lereng dibuat 1 : 3 sesuai dengan jenis tanahnya (Hutabarat dan Budi, 2009).
Pemadatan tanah dilakukan dengan menggunakan penumbuk (rammer) dengan jumlah tumbukan, jumlah lapisan, dan tinggi jatuhan berdasarkan uji tumbuk manual. Jumlah tumbukan tiap lapisan didapatkan dengan persamaan:
di mana :
Nmodel = Jumlah tumbukan tiap lapisan pada model tanggul Nt = Jumlah tumbukan tiap lapisan pada uji tumbuk manual
Ll = Luas setiap lapisan pada model tanggul (cm2)
32 Model tanggul dibuat dalam kotak model tanggul dengan ukuran seperti pada Tabel 7. Dimensi model tanggul yang dibuat adalah 1 : 12 dari ukuran tanggul sebenarnya di lapangan.
Tabel 7. Dimensi tanggul
Dimensi Ukuran
lapangan Model
H (tinggi muka air), cm 150 12.5
Hf (tinggi jagaan), cm 60 5.0
Hd (tinggi tanggul), cm 210 17.5
B (lebar puncak), cm 150 12.5
L (lebar bawah), cm 1680 140.0
Hp (tinggi muka air dari dasar tanggul), cm 180 15.0 Kemiringan 1/3 1/3 Sumber : DPU, 1986
Gambar 11. Model tanggul 9. Pengaliran Air pada kotak model
Pengaliran air pada model tanggul sesuai debit yang telah ditentukan. Air dimasukkan ke bak terbuka dengan menggunakan pompa dan dari bak tersebut air dialirkan ke kotak model secara gravitasi. Kelebihan air pada tubuh tanggul dibuang melalui saluran pelimpah (spillway) sehingga tinggi muka air dapat tetap dipertahankan. Pengamatan-pengamatan yang dilakukan adalah:
33 2 1 log 3 . 2 h h T x A l x a x ) 30 ...( ... ... ... ... ... ... ... ) ( 20 . 20 T Kt K
a. Pengambilan foto rembesan untuk mengetahui pola rembesan yang terjadi pada tubuh tanggul. Pengambilan foto dilakukan setiap 3 menit.
b. Pengukuran debit keluar (outlet) dilakukan setelah pengaliran air ke kotak model, sedangkan debit yang masuk (inlet) diukur sebelum air dialirkan ke tubuh tanggul dengan tiga kali ulangan. Pengukuran debit outlet dimulai ketika air keluar dari outlet. Pengukuran dilakukan sampai debit air konstan.
10. Pembongkaran model tanggul
Setelah pengaliran selesai, model tanggul dibiarkan terlebih dahulu selama beberapa waktu agar air sisa pengaliran keluar melalui outlet. Setelah itu, sampel tanah diambil untuk selanjutnya dilakukan pengujian permeabilitas dan kuat geser tanah.
a. Uji permeabilitas
Permeabilitas adalah kemampuan fluida untuk mengalir melalui medium berpori. Pengujian permeabilitas menggunakan metode ”falling head”. Untuk mendapatkan koefisien permeabilitas tanah dengan metode ini digunakan persamaan sebagai berikut (Kalsim dan Sapei, 2003):
KT = ...(29) di mana:
KT = koefisien permeabilitas tanah pada suhu standar (cm/detik) a = luas permukaan pipa gelas (cm2)
l = panjang contoh tanah (cm)
A = luas permukaan contoh tanah (cm2) T = waktu (detik)
h1 = tinggi miniskus atas (cm)
h2 = tinggi miniskus bawah (cm)
Permeabilitas pada suhu standar (T = 20ºC) diperoleh dengan menggunakan rumus sebagai berikut (Kalsim dan Sapei, 2003):
di mana:
34 ) 31 .( ... ... ... ... ... ... ... ... ... A R k maks
µT = viskositas air pada suhu T ºC
µ20 = viskositas air pada suhu 20 ºC
Kt = koefisien permeabilitas tanah
Gambar 12. Falling head permeameter b. Uji kuat geser
Pengujian kuat geser tanah dilakukan dengan menggunakan uji kuat geser langsung dengan peralatan seperti pada Gambar 13. Pengujian yang dilakukan pada kondisi sebelum pengaliran air (uji tumbuk manual) dan setelah tubuh model tanggul dialiri. Nilai kohesi (c) dan sudut geser dalam (θ) didapatkan dari pengulangan dengan menggunakan bahan atau tegangan normal kuat geser yaitu 0.5 kgf, 1.0 kgf, dan 1.5 kgf.
Gambar 13. Alat uji kuat geser langsung
Tegangan geser maksimum didapatkan dengan persamaan (Wesley, 1973):
35 di mana :
τmaks = Tegangan geser maksimum (kgf/ cm
2 ) k = Konstanta ring (0.2693)
R = Nilai pada dial gauge A = Luas ring contoh (cm2)
Setelah nilai tegangan maksimum didapatkan, kemudian nilai c dan θ dihitung dengan menggunakan persamaan (1).
11. Analisis Stabilitas Lereng dengan menggunakan program Geo-Slope Untuk melakukan analisis tingkat kestabilan lereng digunakan software yang merupakan bagian dari program Geo-Slope yaitu Slope/W. Perhitungan dilakukan pada kondisi model tanggul sebelum dialiri dan setelah dialiri. Metode yang digunakan untuk analisis stabilitas lereng adalah metode Bishop atau metode irisan. Contoh tanah yang diambil untuk kondisi tanpa aliran merupakan contoh tanah dari hasil uji tumbuk manual dengan asumsi bahwa nilai RC pada uji tumbuk sama dengan model tanggul.
Pada kondisi ada aliran perhitungan dilakukan dengan menggunakan data Seep/W yang diperoleh dari perhitungan debit rembesan. Perhitungan ini dilakukan karena diasumsikan adanya pengaruh tekanan air pori. Parameter yang dimasukkan dalam perhitungan adalah nilai kohesi (c) dan sudut geser (θ) yang dihasilkan dari pengujian kekuatan geser tanah. Hasil yang diperoleh dari program Geo-Slope adalah nilai faktor keamanan (Fs) pada setiap kondisi yang menunjukkan kestabilan lereng tanggul.
