ANALISA POTENSI SOIL LIQUEFACTION DI DAERAH PESISIR KOTA PACITAN BERDASARKAN DATA CPT

Transkripsi

1 ANALISA POTENSI SOIL LIQUEFACTION DI DAERAH PESISIR KOTA PACITAN BERDASARKAN DATA CPT Dwi Febi A (1), Wahyudi (2), Kriyo Sambodho (3) 1 Mahasiswa teknik Kelautan, 2,3 Staf Pengajar Teknik Kelautan Tugas akhir ini mendiskusikan potensi soil liquefaction akibat gempa bumi di daerah pesisir Pacitan. Pemilihan lokasi studi didasarkan pada kenyataan bahwa Pacitan adalah daerah rawan gempa, karena dilalui oleh lempeng Eurasia dan lempeng Indo-Australia. Berdasarkan hasil boring test yang telah dilakukan menunjukkan bahwa kondisi tanah di lokasi studi sebagian besar merupakan tanah pasir yang sangat berpotensi terjadi soil liquefaction. Potensi soil liquefaction dievaluasi berdasarkan nilai Safety Factor (SF) yang merupakan perbandingan antara Cyclic Resistance Ratio (CRR) dan Cyclic Stress Ratio (CSR). Nilai CSR dihitung dari parameter gempa sedangkan data hasil Cone Penetration Test (CPT) digunakan untuk menghitung nilai CRR. Hasil analisa menunjukkan bahwa lokasi-lokasi S-1, S-2, S-4 dan S-5 sangat berpotensi terjadi soil liquefaction. Hal ini ditunjukkan oleh nilai SF yang lebih kecil daripada 1. Kata Kunci: Soil liquefaction, Cone Penetration Test, Cyclic Stress Ratio (CSR), Cyclic Resistance Ratio (CRR) 1. PENDAHULUAN Kota Pacitan yang berada di pesisir selatan pulau Jawa yang dilalui lempeng Eurasia dan lempeng Indo-Australia akan rentan terjadi bahaya gempa bumi dikarenakan oleh pergerakan dua lempeng tersebut. Apabila gelombang gempa bumi ini merambat di tanah berpasir jenuh air pada kondisi undrained maka akan menimbulkan potensi bahaya soil liquefaction. Soil liquefaction ini dapat mengakibatkan keruntuhan atau kehancuran struktur yang bediri di atasnya, yang sangat membahayakan dan menimbulkan kerugian yang besar baik materi maupun jiwa. Peristiwa tersebut secara visual nampak munculnya sand boil, atau rembesan air melalui tanah, tenggelamnya suatu struktur dan munculnya struktur yang ringan keatas permukaan. Di banyak negara soil liquefaction ini telah mendatangkan kerugian yang sangat besar baik materi maupun jiwa. Seperti yang terjadi di Niigata, Jepang maupun di Alaska, USA pada tahun 1964 (The Japanese Geotechnical Society). Karena alasan tersebut maka diperlukan adanya analisa potensi soil liquefaction, agar didapatkan perkiraan awal terjadinya potensi soil liquefaction ini sehingga ada penanganan preventif untuk menanggulanginya. Gambar 2.1 Gambar Lapisan Tanah Sebelum dan Sesudah Terjadi Gempa Bumi ( 5.htm) 2. DASAR TEORI Secara umum fenomena terjadinya soil liquefaction hanya ada pada pasir jenuh air (Sr = 100%) dalam kondisi undrained dan ada pada beban siklik gempa yang bekerja (Gambar 2.1). Dalam kondisi ini maka pasir akan kehilangan kekuatan mekaniknya, yang ditandai hilangnya tegangan efektif tanah (σ = 0) dan naiknya tegangan air pori (u) hingga mencapai nilai tegangan total (σ). Dalam keadaan ini, perilaku pasir berubah menjadi Fluid- Viscous (Gambar 2.2). Gambar 2.2 Struktur Tanah d=4074 Penelitian mengenai fenomena soil liquefaction dilakukan secara intensif setelah ada dua peristiwa gempa bumi yaitu gmpa yang terjadi di Niigata, Jepang pada tahun 1964 dan gempa yang terjadi di Alaska, Amerika pada tahun Gempa Niigata berkekuatan 7,3 skala Ritcher pusat gempa sekitar 56 km dari kota Niigata, percepatan gempa maksimum 0,16 kali percepatan gravitasi. Gempa 1

2 tersebut menyebabkan terjadinya sand boil. Air mengalir melalui celah-celah tanah bercampur pasir yang mengakibatkan runtuhnya gedung-gedung yang berdiri di kota tersebut. (Oshaki, 1996; Seed dan Idriss, 1982). Gempa yang terjadi di Alaska berkekuatan 8,3 skala Ritcher. Kerusakan yang terjadi adalah jembatan yang berada sekitar 80 km sampai 120 km dari pusat gempa berupa bergesernya pilar dan pangkal jembatan. Hal tersebut terjadi akibat adanya peristiwa soil liquefaction. Dalam perhitungan/analisa potensi soil liquefaction metode sederhana yang sering digunakan oleh para engineer adalah metode sederhana berdasarkan data Standard Penetration Test (SPT) dan Cone Penetration Test (CPT). Stark dan Olson (1995) mengusulkan penggunaan data CPT untuk mengevaluasi potensi soil liquefaction. Mereka menyimpulkan bahwa nilai yang dihasilkan oleh CPT nampak lebih baik dibandingkan nilai N-SPT dalam mengevaluasi potensi soil liquefaction hal ini disebabkan karena uji CPT lebih standard, mudah direproduksi dan murah. liquefaction diberikan oleh Sladen et al. (1985) adalah fenomena dimana massa dari tanah kehilangan kekuatan gesernya dalam persentase yang sangat besar, ketika dikenai beban monotik, siklik, maupun beban kejut dimana beban tersebut mengalir seperti sebuah cairan hingga tegagan geser partikel tanah tersebut rendah sehingga mengurangi kekuatan geser. Secara lebih singkat soil liquefaction diartikan sebagai sebuah proses transformasi/perubahan bentuk dari bentuk padat ke bentuk yang sifatnya cair sebagai konsekuensi dari naiknya tekanan pori tanah dan berkurangnya tegangan efektif tanah. Fenomena soil liquefaction lebih mudah dipahami apabila mengacu pada Gambar 2.2 serta Persamaan (2.1) hingga Persamaan (2.7) berikut: 2.2 Pengertian Soil Liquefaction Dalam Dictionary of Soil Mechanics and Foundation Engineering, soil liquefaction didefinisikan sebagai keadaan dimana tanah pasir jenuh kehilangan kekuatan geser dan berkurangnya tekanan efektif akibat dari naiknya tekanan pori air. Penyebab naiknya tekanan pori air adalah akibat dari naiknya permukaan air tanah akibat gerakan gelombang dan juga gerakan berulang dari tegangan geser pada tanah berpasir jenuh selama gempa bumi. Jefferies dan Been (2006) mengemukakan soil liquefaction adalah fenomena dimana tanah kehilangan banyak kekuatan (strength) dan kekakuannya (stiffness) untuk waktu yang singkat namun meskipun demikian liquefaction menjadi penyebab dari banyaknya kerusakan, kematian dan kerugian ekonomi yang besar. Sebagai contoh gempa Niigata Jepang pada tahun 1964 menyebabkan kerugian lebih dari 1 milyar dollar yang disebabkan kerusakan yang diakibatkan oleh soil liquefaction. Soil Liquefaction dihubungankan kegagalan/kerusakan permukaan tanah yang umumnya berkaitan gempa bumi yang besar. Secara umum soil liquefaction berhubungan hilangnya kekuatan tanah pada keadaan jenuh air, atau dengn kata lain, hilangnya sifat kohesi pada partikel tanah yang diakibatkan oleh tekanan-tekanan pori air selama pembebanan dinamik. Definisi yang lebih tepat dari soil Gambar 2.3 Ilustrasi Sederhana Penjabaran Fenomena Soil Liquefaction: a. Gambar Skematis Mengenai Gaya-Gaya Yang Bekerja (The Japanese Geotechnical Society, 1998); b.interaksi Gaya- Gaya Yang Bekerja; c. Vektor Gaya-Gaya Yang Bekerja Dari Gambar 2.2 dapat diketahui hubungan antara gaya normal (N dalam Newton), gaya geser (F dalam Newton) dan sudut geser (θ) sebagai berikut: tan (2.1) Dengan memperhitungkan faktor tekanan air (u dalam N/m 2 ), maka Persamaan (2.1) dapat dituliskan sebagai berikut: tan (2.2) dimana A adalah luasan efektif dalam m 2 Apabila kita membagi kedua ruas pada Persamaan (3.2) A, maka didapatkan: tan (2.3) Dengan: (2.4a) 2

3 (2.4b) dimana τ adalah tegangan geser tanah (N/m 2 ) dan σ adalah tegangan total (N/m 2 ). Subsitusi Persamaan (2.4a) dan Persamaan (2.4b) kedalam Persamaan (2.3) menghasilkan tan (2.5) Diketahui bahwa tegangan total adalah fungsi dari tegangan efektif dan tekanan air pori: (2.6) Maka Persamaan (2.5) dapat dituliskan sebagai berikut tan (2.7) Dari Persamaan (2.5) dan dapat disimpulkan bahwa soil liquefaction bisa terjadi apabila tekanan air pori naik hingga mendekati harga tegangan total. Hal ini akan menyebabkan hilangnya tegangan efektif (σ = 0) sehingga tanah cenderung bersifat seperti benda cair. 2.3 Faktor Faktor yang Mempengaruhi Soil Liquefaction Seperti fenomena alam yang lain, soil liquefaction juga mempunyai faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya fenomena tersebut (Chassagneux et al., 1998), antara lain: a. Faktor Permanen Yang menjadi faktor permanen dari peristiwa soil liquefaction ini adalah karakteristik serta parameter-parameter tanah itu sendiri. Seperti pada Tanah pulvurent/quicksand rentan mengalami fluidization apabila tanah tersebut terkena tekanan. Dimana tekanan ini disebabkan oleh peningkatan tekanan pori tanah akibat bertambah atau berkurangnya kandungan air yang dimiliki oleh tanah tersebut. tanah tersebut, peristiwa penurunan tanah yang disebabkan oleh pembebanan yang terjadi di atas permukaan tanah dapat dibagi menjadi dua kelompok besar, yaitu a. Penurunan Konsolidasi (Consolidation Settlement) Merupakan hasil dari perubahan volume tanah jenuh air sebagai akibat dari keluarnya air yang menempati pori-pori tanah. b. Penurunan Segera (Immediate Settlement Merupakan akibat dari deformasi elastis tanah, kering, basah dan jenuh air tanpa adanya perubahan kadar air. Perhitunngan penurunan segera umumnya didasarkan pada penurunan yang diturunkan dari teori elastic. 2.5 Soil Liquefaction akibat Pengaruh Gempa:Evaluasi Potensi Soil Liquefaction Pengaruh Ukuran Butiran Tanah Terhadap Soil Liquefaction Gambar 2.4 menunjukkan pengaruh dari granulometri butiran tanah terhadap liquefaction. Tampak bahwa zone tanah terliquefaksi terletak pada butiran pasir halus. Sedangkan pada butiran kasar (gravels) dan butiran halus (clay), sulit untuk terjadi liquefaction. Ukuran butiran tanah yang seragam : 0,20 mm < D 50 0,40 mm adalah sensitive terhadap liquefaction. Bentuk butiran yang bulat atau bundar, relative lebih jelek daripada yang berbentuk pipih atau angular bila dikaitkan liquefaction. b. Faktor Pemicu Faktor pemicu utama terjadinya peristiwa soil liquefaction adalah terjadinya gempa bumi dan beban siklis yang disebabkan oleh gelombang laut pada suatu daerah tertentu. Dimana energy yang ditimbulkan tersebut dapat menyebabkan tanah kehilangan kohesivitas dan akan membuat tanah mengalami fenomena soil liquefaction 2.4 Dampak dari Soil Liquefaction Secara umum, fenomena soil liquefaction ini dapat menyebabkan penurunan tanah (settlement). Penurunan tanah ini disebabkan oleh hilangnya daya dukung tanah akibat hilangnya kohesivitas Gambar 2.4. Potensi Terjadinya Soil Liquefaction Berdasarkan Diameter Butiran Tanah (Oka, F, 1995) 3

4 2.5.2 Evaluasi Soil Liquefaction Berdasarkan Hasil CPT H = tinggi muka air diukur dari permukaan tanah Pada penelitian ini metode yang digunakan untuk mengevaluasi potensi soil liquefaction adalah metode yang disepakati oleh workshop mengenai CRR oleh NCEER pada tahun 1996 dan tahun 1998, yang dimuat dalam Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering, Vol. 127, No. 10, October, Page Workshop tersebut pada dasarnya mengembangkan simplified prosedur yang diusulkan oleh Seed and Idriss, 1971, difokuskan pada analisis ketahanan tanah terhadap bahaya liquefaction (CRR). Pada dasarnya analisa soil liquefaction adalah mencari dua parameter utama yaitu: Cyclic Stress Ratio (CSR) yang merupakan tegangan siklik yang terjadi akibat gempa dibagi tegangan efektif, dan Cyclic Resistance Ratio (CRR) yang merupakan ketahanan tanah untuk menahan liquefaction. Dari perbandingan CRR dan CSR didapatkan angka keamanan, jika angka keamanan lebih kecil dari satu maka terjadi liquefaction, dan jika lebih besar atau sama satu, maka tidak terjadi soil liquefaction. A. Perhitungan Cyclic Stress Ratio (CSR) Seed dan Idriss (1971) memformulasikan persamaan untuk penghitungan Cyclic Stress ratio: 0.65 (2.8) a max g σ vo = percepatan horizontal maximum akibatgempa = percepatan gravitasi = tegangan total vertical overburden σ vo = tegangan efektif vertical overburden r d = koefisien tegangan reduksi. Rasio antara tegangan total tegangan efektif dihitung persamaan-persamaan yang ada di dalam teori Mekanika Tanah. Dimana tegangan total dirumuskan: (2.9) σ = tegangan total γ w = berat volume air (9,8 kn/m 3 ) γ sat = berat volume tanah jenuh air H A = jarak antara titik A dan muka air Berat volume tanah jenuh air sendiri dihitung persamaan: γ G γ G s e = berat spesifik butiran pada = void ratio (angka pori) γ w = berat volume air (9,8 kn/m 3 ) (2.10) Tegangan efektif tanah dihitung menggunakan persamaan: (2.11) u adalah tekanan pori air tanah, yang dihitung persamaan: (2.12) H A adalah jarak titik yang ditinjau muka air. Percepatan horizontal maksimum akibat gempa (a max ) dihitung persamaan sebagai berikut: log (2.13) r adalah jarak episentrum (km) dan M w adalah magnitude gempa. Koefisien reduksi kedalaman (r d ) dihitung berdasarkan persamaan Liao & Whitmann, 1986 sebagai berikut: untuk z 9.15 m untuk 9.15 < z 23 m (2.14b) r d = faktor reduksi redaman z = kedalaman (m) (2.14a) 4

5 B. Perhitungan Cyclic Resistance Ratio (CRR) Normalisasi Ketahanan Cone Penetration Pada CPT ujung ketahanan konus harus dinormalisasi menggunakan persamaan dibawah ini: (2.15) dimana (2.16) Tabel 3.1 Kejadian Gempa tahun Waktu Kejadian Jarak Epicentrum Magnitude (Km) 13 Mei Agustus Agustus Nopember Nopember C Q = faktor normalisasi utuk cone penetration resistance P a n q c = 1 atm untuk tekanan yang sama yang digunakan oleh σ vo = eksponen untuk berbagai macam tipe tanah = ketahanan cone penetration dilapangan yang diukur pada ujungnya. Normalisasi ketahanan penetrasi (q c1n ) untuk tanah lanau berpasir dikoreksi terhadap persamaan nilai clean sand (q c1n ) cs yang hubungannya sebagai berikut: (2.21) 3. METODOLOGI Pertama, dilakukan studi literatur dan pengumpulan data yang meliputi mencari serta mempelajari buku, diktat, jurnal ataupun laporan tugas Akhir terdahulu yang membahas pokok permasalahan yang sama atau mirip Tugas Akhir ini. Literatur tersebut digunakan sebagai acuan ataupun referensi Tugas Akhir ini. Literatur tersebut digunakan sebagai acuan ataupun referensi Tugas Akhir ini Selanjutnya mengumpulkan data lapangan, yaitu data gempa dari tahun 2004 sampai tahun 2006 yang didapatkan dari BMKG Tretes, data tanah yang didapkan dari survey langsung melalui boring test dan sondir test. Dari data gempa yang didapatkan yang berupa epicentrum dan magnitude dapat dihitung percepatan gempa. Dari data boring test dapat dihitung tegangan total dan tegangan efektif, semua parameter yang didapatkan digunakan untuk menghitung CSR. Nilai tekanan konus yang didapatkan dari sondir test digunakan untuk menghitung nilai CRR. Perbandingan CRR dan CSR didapatkan nilai Safety Factor, jika safety factor lebih kecil satu maka terjadi soil liquefaction, dan jika lebih besar atau sama satu, maka tidak terjadi soil liquefaction. 4. KONDISI DAERAH STUDI Nilai CRR dihitung persamaan berikut: exp Umum (2.20) Kabupaten Pacitan merupakan salah satu C. Penghitungan Persamaan Normalisasi Cone Kabupaten yang berada di pesisir selatan Propinsi Penetration Resistance (q c1n ) CS Clean-Sand Jawa Timur. Letak Geografis Kabupaten Pacitan ini berada antara 110 o o 25 Bujur Timur dan 7 o 55 8 o 17 Lintang Selatan. Kabupaten ini merupakan pintu Gerbang jawa Timur bagian salatan di ujung paling barat, dan berbatasan langsung propinsi Jawa Tengah dan Daerah Istimewa Yogyakarta. Adapun batas batas wilayah adalah sebagai berikut: Sebelah Timur : Kabupaten Trenggalek Sebelah Selatan : Samudera Indonesia Sebelah Barat : Kabupaten Wonogiri Sebelah Utara : Kabupaten Ponorogo Luas wilayah Kabupaten pacitan ± 1.389,87 km 2 yang sebagian besar berupa perbukitan dan tanah kapur yang merupakan bagian pegunungan kapur selatan yang membentang dari Gunung Kidul ke Trenggalek menghadap Samudera Indonesia. Secara administrasi, Kabupaten Pacitan terbagi menjadi 4 wilayah pembantu Bupati, 12 Kecamatan, 5 Kelurahan dan 159 Desa. Tempat penelitian berada di ObyeK Wisat Pantai Teleng Ria, Pantai ini menghadap ke Pantai Laut Selatan hamparan pasir putih ± 3 km. jarak dari Ibu Kota Kabupaten ke lokasi wisata hanya 3.5 5

6 Km, dan dapat mudah dicapai berbagai jenis kendaraan. Menurut hasil boring yang dilakukan sampai kedalaman 10 m tanah merupakan lapisan tanah berpasir yang berwarna cokelat, muka air tanah pada daerah tersebut rata-rata berkisar pada kedalaman 1m. 5. ANALISA HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1 Analisa Potensi Soil Liquefaction menurut Grain Size Dari perhitungan nilai Safety Factor (Gambar 5.2) didapatkan bahwa hanya titik Sondir-1, Sondir-2, Sondir-4 dan Sondir-5 yang berpotensi terjadi Soil liquefaction nilai Safety Factor < 1. Umumnya semua terjadi pada percepatan gempa 0.89 m/s 2. Gamb Sond Menurut Grain size analisis tanah pada boring test- 1 sampai boring test-5 merupakan tanah pasir yang sangat berpotensi terjadi soil liquefaction. Dari semua Grafik menunjukkan pada semua sempel tanah pada titik boring 1 sampai titik Boring 5 semuanya most liquefiable soil, ini artinya bahwa tanah didaerah tersebut sangat berpotensi untuk terjadi soil Liquefaction Gambar 5.1 Hasil Grain-Size Analysis Contoh Tanah di Lokasi Studi yang Diplot dalam Grafik Liquefaction Potential dari Oka, Analisa Potensi Soil Liquefaction Menurut Data Sondir, Percepatan Gempa dan Magnitude. Dari data gempa yang ada, percepatan gempa paling besar yang terjadi di kabupaten Pacitan adalah 0.36 m/s 2 Magnitude 4.7 dan 0.89 m/s 2 Magnitude 5.1 yang semuanya terjadi pada Nopember 2006 (Tabel 5.1) Tabel 5.1 Peak Ground Acceleration Jarak (km ) Magnitude r log PHGA PHGA m/s Gambar 5.2 Nilai Safety Factor Untuk Tiap-Tiap Titik Sondir yang Berpotensi Terjadi Soil Liquefaction 6

7 6. KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan 1. Berdasarkan dari hasil Boring Test, daerah yang ditinjau mempunyai potensi soil liquefaction, karena semua lapisan tanahnya merupakan tanah pasir. 2. Berdasarkan hasil Sondir, terjadi soil liquefaction pada titik Sondir-1, titik Sondir-2, titik Sondir-4 dan titik Sondir-5. Pada titik Sondir-1, titik Sondir-2 dan titik Sondir-4 Soil liquefaction akan terjadi pada a max 0.36 m/s 2 Magnitude 4.7 dan pada a max 0.89 m/s 2 Magnitude 5.1. Sedangkan pada titik Sondir-5 hanya terjadi pada a max 0.89 m/s 2 Magnitude Saran Dari hasil yang telah didapatkan bahwa daerah studi terdapat potensi soil liquefaction, maka dapat dilanjutkan perhitungan settlement DAFTAR PUSTAKA Jefferies, Mike and Ken Been Soil Liquefaction. Taylor & Francis. Abingdon, Oxon. Juang Hsein,C, Yuang H, K. Chih-Sheng. 2002: Assesing CPT-based methods for liquefaction evaluation with emphasis on the cases from the Chi-Chi, Taiwan, earthquake Journal of Soil Dynamics and Earthquake Engiineering, 22: Lai, Y.S., et al. 2004: Descriminant Model for Evaluating Soil Liquefaction Potential Using Cone Penetration Test Data. Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering, Vol. 130, No.12, Desember 2004, pp Oka, F, 1995, Soil Mechanics Lecture, Morikita Publishing Company, Tokyo, Japan (in Japanese). Olsen, R.S., Cyclic Liquefaction Based on the Cone Penetration Test, NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils; National Center for Earthquake Engineering Research, State University of New York, Buffalo, pp Robertson, P. K. (1990). Soil liquefaction using CPT. Can. Geotech. J., Ottawa, 27(1), Robertson, P.K and Wride, C.E Evaluating Cyclic Liquefaction Potential Using the Cone Penetration Test. Geotechnical Group, University of Alberta, Edmonton, AB T6G 2G7, Canada. Seed, H.B, and Idriss, I. M Ground Motions and soil Liquefaction During Earthquakes. Earthquake Engineering Research Institute Monograph, Oakland, Calif. The Japanese Geotechnical Society Remedial Measures Against Soil Liquefaction. A.A. Balkema. Rotterdam. Netherlands Youd,T.L. et al Liquefaction Resistance soils: Summary Report from The 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 127, No.8, August 2001, pp