Kuat Geser Tanah. Mengapa mempelajari kekuatan tanah? Shear Strength of Soils. Dr.Eng. Agus Setyo Muntohar, S.T., M.Eng.Sc.

Transkripsi

1 Kuat Geser Tanah Shear Strength of Soils Dr.Eng. gus Setyo Muntohar, S.T., M.Eng.Sc. Mengapa mempelajari kekuatan tanah? Keamanan atau kenyamanan struktur yang berdiri di atas tanah tergantung pada kekuatan tanah dibawahnya. Jika tanah runtuh, maka struktur tersebut akan runtuh yang merenggut korban dan kerugian ekonomi. Kekuatan tanah yang dimaksud adalah kekuatan geser tanah (shear strength).

2 pa kekuatan tanah? Kekuatan geser (shear strength) tanah merupakan gaya tahanan internal yang bekerja per satuan luas masa tanah untuk menahan keruntuhan atau kegagalan sepanjang bidang runtuh dalam masa tanah tersebut. Pemahaman terhadap proses dari perlawanan geser sangat diperlukan untuk analisis stabilitas tanah seperti kuat dukung, stabilitas lereng, tekanan tanah lateral pada struktur penahan tanah. Kriteria Keruntuhan Mohr Coulomb Keruntuhan dalam suatu bahan dapat terjadi akibat kombinasi kritis dari tegangan normal dan tegangan geser, danbukansalahsatudaritegangannormal maksimum atau tegangan geser maksimum. Hubungan antara kedua tegangan tersebut : f = f(σ) Bila tanah mengalami pembebanan akan ditahan oleh kohesi (c) dan gesekan antar butir-butir tanah (φ). f = c+ σ tan φ

3 Theory Mohr - Coulomb c Kurva keruntuhan D f = f(σ) φ C B a f = c c + σ tan φ σ b Bidang Runtuh σ Kriteria Keruntuhan Mohr Coulomb Jika dan σ pada bidang runtuh ab mencapai titik, keruntuhan geser tidak akan terjadi. Keruntuhan geser akan terjadi, jika dan σ pada bidang runtuh ab mencapai titik B dalam kurva selubung keruntuhan. Keadaan tegangan pada titik C tidak akan pernah terjadi, sebab keruntuhan telah terjadi sebelum mencapai tegangan tersebut.

4 Lingkaran Mohr Untuk Kuat Geser σ 1 φ F σ 3 θ = 90 + φ θ = 45 + φ / E d h f = c c + σ tan φ f φ g O c e σ 3 f a θ b σ 1 σ Lingkaran Mohr Untuk Kuat Geser σ' = σ' or tan σ = σ tan φ' 45 + φ φ' c' tan 45 + ctan 45 + φ

5 Kurva p - q ( (p q curve) 1 q' = 1 σ q ( σ' '3) Garis selubung keruntuhan h φ ' = arc sin c' = ( tanα' ) a' cosφ' d g α a 45 e o 45 o b O σ 3 σ 1 p 1 p' = 1 σ ( σ ' + '3) Uji Parameter Kekuatan Geser Tanah di Laboratorium Jenis pengujian yang sering dilakukan : Uji geser langsung (direct shear test) Uji tiga paksi (triaxial test) Uji tekan bebas (unconfined compression test) Dalam penentuan jenis pengujian perlu diperhatikan letak tanah yang akan diuji. Uji geser langsung akan lebih sesuai untuk menentukan parameter kuat geser tanah bila digunakan untuk fondasi. Uji triaxial akan lebih relevant untuk stabilitas lereng atau fondasi.

6 Penentuan Uji Kekuatan Geser Tanah 1. Uji tekan bebas. Uji triaxial 3. Uji geser langsung 4. Uji geser langsung/triaxial 1 4 Slip plane 3 Gaya Geser Uji Geser Langsung (direct shear test/dst) Dial gauge penurunan Porous stone Porous stone Slip plane Beban Normal Pengukuran air pori Dial gauge pergeseran DST adalah cara pengujian parameter kuat geser tanah yang paling mudah dan sederhana. Bentuk benda uji dapat berupa lingkaran (ring) atau persegi (square). DST lebih sesuai untuk menguji tanah berpasir dalam kondisi loose dan dense.

7 Interpretasi Hasil DST F Slip plane N v h Kondisi pengujian : drained atau undrained, consolidated atau unconsolidated. kibat beban normal (N) benda uji mengalami penurunan v. kibat beban geser (F) benda uji mengalami pergeseran h, untuk waktu tertentu. Hasil uji DST berupa : c dan φ, grafik hubungan antara pergseran dan tegangan geser, Grafik hubunngan pergeseran dan penurunan Interpretasi Hasil DST Perubahan tinggi benda uji, δ v Tegangan Geser, Pengembangan Penurunan Kuat geser maksimum f Pasir Padat f Pergeseran, δ h α p Kuat geser ultimate Pasir Lepas α x p = y Tegangan Geser, = F φ α p = α p φ p σ = Tegangan normal, σ h N Dilatancy (pengembangan) terjadi antara pasir lepas dan padat sebesar α p pada saat kekuatan geser maksimum (puncak) Kuat geser ultimate atau kritis akan terjadi pada saat perubahan tinggi benda uji tetap ( = 0) φ p φ

8 Ketidaktentuan Hasil DST F Bidang runtuh N v h Benda uji dipaksa untuk mengalami keruntuhan (failure) pada bidang yang ditentukan. Distribusi tegangan pada bidang runtuh tidak seragam dan kompleks. Pergeseran hanya terbatas pada gerakan maksimum sebesar alat DST digerakan. Luas bidang kontak antara tanah di kedua setengah bagian kotak geser berkurang ketika pengujian berlangsung. Contoh nalisis DST Hasil uji geser langsung suatu contoh tanah lempung berpasir ukuran : diameter = 50 mm dan tebal = 5 mm (Luas, = 1.96 x 10-3 m ) Tentukan nilai-nilai parameter kuat geser tanah tersebut. Test No. Beban Normal (N) Beban geser saat runtuh (N) Beban geser residu (N)

9 Contoh nalisis DST Tegangan Geser, : Tegangan Normal, σ : = σ = F N Test No. Beban Normal (N) Tegangan Normal, σ (kpa) Beban geser saat runtuh (N) Tegangan Geser Runtuh, σ f (kpa) Beban geser residu (N) Tegangan Geser Residu σ r (kpa) Contoh nalisis DST Tegangan Geser, (kpa) c= Failure Residual φ f = 7.6 o φ r = 15 o Tegangan Normal, σ (kpa) Hubungan antara tegangan normal dan tegangan geser : Untuk kekuatan maksimum (puncak) : f = σ tan 7.6 o Untuk kekuatan resdiual : r = σ tan 15 o

10 Contoh nalisis DST Hasil uji geser langsung suatu contoh tanah lempung berpasir ukuran : diameter = 63.1 mm dan tebal = 5 mm (Luas, = 317 mm ) Beban Normal Katup Pembuangan Udara Sel Triaxial ir atau Glycerin Tekanan Sel, Uji Geser Tiga Paksi (Triaxial Shear Test) Dial gauge penurunan Porous stone Membrane Benda uji Porous stone Back Pressure Pengukuran air pori Uji geser triaxial lebih reliable untuk menentukan parameter kuat geser tanah. Bentuk benda uji berupa silinder dengan ukuran tinggi X diameter (biasanya : 38 mm x 76 mm atau 50 mm x 100 m) Benda uji dimasukkan dalam membrane dan diletakkan di dalam sel triaxial. Tekanan di sekeliling benda uji diberikan melalui tekanan air yang dinamakantegangansel ( )

11 Kondisi Pengujian Geser Triaxial Beban Normal Tekanan Sel, Dial gauge penurunan Back Pressure Pengukuran air pori Keruntuhan geser terjadi dengan cara memberikan gaya aksial (normal) pada benda uji yang dinamakan tegangan deviator ( σ). Selama penerapan gaya aksial, penurunan benda uji dicatat untuk penghitungan regangan (ε). Kondisi pengujian : (1) Consolidated-drained (CD), () Consolidatedundrained (CU), (3) unconsolidated-undrained (UU) Kondisi CD Benda uji diberikan tegangan sel ( ) dan dijenuhkan dengan pemberian tekanan balik (back pressure) agar mengalami proses konsolidasi hingga selesai. Kemudian dibebani dengan gaya aksial melalui tegangan deviator ( σ) sampai terjadi keruntuhan. Selama proses konsolidasi terjadi perubahan volume benda uji. Namun, selama penggeseran, air pori diijinkan keluar dari benda uji. + σ = σ 1 u c = 0 u d = 0 + σ = σ 1

12 Kondisi UU Benda uji diberikan tegangan sel ( ), tanpa mengalami proses konsolidasi, kemudian dibebani dengan gaya aksial melalui tegangan deviator ( σ) sampai terjadi keruntuhan. Selama penggeseran, air pori tidak diijinkan keluar dari benda uji. Oleh karena itu, gaya aksial tidak ditransfer ke butiran tanah. Keadaan tanpa drainase menyebabkan tekanan pori berlebih (excess pore pressure) dan tidak ada tahanan geser dari perlawanan dari butiran tanah. Pada kondisi tanah yang jenuh air, nilai sudut gesek internal tanah (φ) dapat mencapai nol. Sehingga pada pengujiannya hanya memperoleh nilai kohesi (c). Kondisi CU Benda uji diberikan tegangan sel ( ) dandijenuhkandengan pemberian tekanan balik (back pressure) agar mengalami proses konsolidasi hingga selesai. Kemudian dibebani dengan gaya aksial melalui tegangan deviator ( σ) sampai terjadi keruntuhan. Selama proses konsolidasi terjadi perubahan volume benda uji. Namun, selama penggeseran, air pori tidak diijinkan keluar dari benda uji maka tidak terjadi perubahan volume benda uji Keadaan tanpa drainase menyebabkan tekanan pori berlebih (excess pore pressure).

13 Interpretasi Hasil Uji Kondisi CD Perubahan tinggi Tegangan Deviator, benda uji, V d σ d Pengembangan Pemampatan Kuat geser maksimum ( σ d ) f Pasir Padat ( σ d ) f Pasir Lepas Regangan ksial, ε a Pengembangan Perubahan tinggi benda uji, V c Pemampatan Waktu, t Uji triaxial pada kondisi CD tidak lazim dilakukan pada lempung, karena waktu yang diperlukan untuk menjamin air pori terdrainase sangat lama, sehingga tegangan deviator diterapkan dengan kecepatan yang sangat lambat. Lingkaran Mohr: Kondisi CD θ θ = 45 + φ' Garis selubung keruntuhan tegangan efektif B φ θ θ O σ 3 = σ 1 = σ 1 σ Selubung kegagalan tegangan efektif kondisi CD untuk tanah lempung NC dan pasir

14 Lingkaran Mohr: Kondisi CD OC NC b φ φ 1 c O σ 3 θ σ 1 σ c σ Selubung kegagalan tegangan efektif kondisi CD untuk tanah lempung OC Interpretasi Hasil Uji Kondisi CU Tekanan ir Pori, Tegangan Deviator, u d σ d Pengembangan Pemampatan Kuat geser maksimum ( σ d ) f Pasir Padat ( σ d ) f Pasir Lepas Regangan ksial, ε a Pengembangan Perubahan tinggi benda uji, V c Pemampatan Waktu, t Tengan runtuh utama major (total) : σ 1 = + ( σ d ) f Tengan runtuh utama major (efektif) : σ 1 = σ 1 -( u d ) f Tengan runtuh utama minor (total) : Tengan runtuh utama minor (efektif) : σ 3 = -( u d ) f

15 Lingkaran Mohr: Kondisi CU Garis selubung keruntuhan tegangan total f = σ tan φ Garis selubung keruntuhan tegangan efektif f = σ tan φ φ φ O σ 3 C σ 1 σ 1 D B σ Selubung kegagalan tegangan efektif dan tegangan total pada kondisi CU Lingkaran Mohr: Kondisi CU f = σ tan φ d f = c + σ tan φ 1 b φ a φ 1 c O σ 1 σ Selubung kegagalan tegangan total kondisi CU untuk tanah lempung OC

16 Lingkaran Mohr: Kondisi UU Garis selubung keruntuhan tegangan total φ = 0 c u B C O σ σ 1 σ 1 1 σ Selubung kegagalan tegangan total kondisi UU untuk tanah lempung jenuh air Uji Tekan Bebas (Unconfined Compressive Test) Dial gauge penurunan Beban Normal Benda uji Uji tekan bebas (unconfined compressive test/uct) adalah jenis uji khusus dari kondisi unconsolidated-undrained test. UCT lebih sesuai untuk benda uji dari tanah lempung. Bentuk benda uji berupa silinder dengan ukuran tinggi X diameter (50 mm x 100 m) Dalam UCT, tekanan di sekeliling = 0 Gaya aksial diberikan secara cepat di atas benda uji hingga runtuh.

17 Uji Tekan Bebas (Unconfined Compressive Test) Dial gauge penurunan Beban Normal Benda uji setelah dibebani Dalam uji ini, kuat geser tidak bergantung pada tegangan sel jika benda uji benar-benar jenuhair dantidak terdrainase. Maka tegangan geser : f = σ 1 q = u = c Dimana q u adalah kuat tekan bebas. Secara teoritis, untuk tanah lempung jenuh air hasil uji triaxial UU dan UCT menghasilkan nilai c u yang sama. Namun biasanya, nilai dari UCT < Triaxial UU u Lingkaran Mohr untuk UCT σ 1 σ 1 Garis selubung keruntuhan tegangan total φ = 0 c u O = 0 σ 1 = q u σ Selubung kegagalan tegangan total UCT untuk tanah lempung jenuh air