Studi Parametrik Potensi Likuifaksi dan Penurunan Permukaan Tanah Berdasarkan Uji Sondir

Transkripsi

1

2 Studi Parametrik Potensi Likuifaksi dan Penurunan Permukaan Tanah Berdasarkan Uji Sondir Agus Setyo Muntohar Geotechnical Engineering Research Group (GERG), Jurusan Teknik Sipil, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, Indonesia. . ABSTRACT: Pada naskah ini disajikan hasil kajian parametrik terhadap potensi likuifaksi dan penurunan permukaan tanah akibat gempa. Parameter yang dikaji meliputi percepatan maksimum gempa di permukaan tanah (a max ) dan magnitudo gempa (M w ). Evaluasi likuifaksi untuk setiap pasangan data sondir dihitung dengan menggunakan rumusan Robertson dan Wride (1998). Estimasi penurunan permukaan tanah menggunakan rumusan metode oleh Zhang dkk. (2002). Bahaya likufaksi dinilai dengan nilai indeks potensi likuifaksi yang diusulkan oleh Iwasaki dkk. (1978). Hasil kajian parametrik menunjukkan bahwa magnitudo dan percepatan gempa yang lebih besar menyebabkan lapisan tanah banyak mengalami likuifaksi dan memicu kerusakan di permukaan tanah Penurunan di permukaan tanah meningkat tajam dengan bertambahnya magnitudo gempa M w 7,5 10 dan percepatan gempa maksimum a max = 0,4 g 0,6 g. Keywords: likuifaksi, penurunan, percepatan gempa maksimum, magnitudo gempa, sondir 1 INTRODUCTION Likuifaksi sering terjadi pada tanah berpasir lepas dan jenuh air bila terjadi gempa bumi. Akibat kehilangan kuat geser akibat gempa dapat menyebabkan terjadinya tanah longsor, kehilangan kuat dukung pada fondasi, dan penurunan fondasi yang berlebihan. Dalam konsep manajemen bencana (disaster management), tindakan pengurangan resiko bencana (disaster risk reduction) harus dijadikan sebagai pengarusutamanya guna mengurangi dampak dari bencana tersebut. Salah satu cara untuk mengurangi dampak adalah dengan membuat zonasi wilayah bahaya atau resiko bencana. Untuk bencana gempa bumi, zonasi wilayah bahaya gempa bumi biasanya didasarkan pada pekerjaan mikrozonasi (microzonation) terhadap percepatan seismik permukaan tanah atau lapisan batuan (Karnawati dkk, 2007). Namun demikian, dalam perspektif geoteknik, peristiwa likuifaksi lebih dikenal luas untuk mengevaluasi potensi kerusakan infrastruktur. Likuifaksi ini akan menyebabkan terjadi penurunan permukaan tanah yang dapat menyebabkan kerusakan bangunan di atasnya (Youd dan Garris, 1995). Oleh karena itu, untuk keperluan praktis geoteknik maka evaluasi potensi likuifaksi ini menjadi perlu dilakukan guna memberikan informasi wilayah bahaya likuifaksi dan memiliki risiko terhadap kerusakan akibat gempa bumi. Potensi likuifaksi pada tanah berpasir akibat gempa bumi ini dipengaruhi oleh faktor seismik yaitu magnitudo gempa (M w ), percepatan seismik permukaan tanah (a max ), dan jarak epicenter. Magnitudo gempa berkaitan langsung dengan energi yang dihasilkan untuk menggerakan lapisan lapisan batuan atau tanah. Secara teoritik, semakin besar magnitude gempa maka percepatan pergerakan permukaan tanah akan semakin besar. Namun, percepatan gempa pada permukaan tanah ini akan sangat bergantung pada sifat-sifat lapisan tanah seperti kekuatan geser tanah. Kekuatan geser tanah di lapangan ini dapat diketahui dengan melakukan uji sondir yang akan diperoleh data tahanan ujung (q c ) dan tahanan gesek (q f ). Dengan demikian perlu dikaji magnitudo gempa minimum yang dapat menimbulkan bahaya likuifaksi. Secara umum penelitian ini bertujuan untuk evaluasi dua parameter seismik, M w dan a max, terhadap bahaya likuifaksi dan penurunan tanah akibat gempa bumi di Kampus Terpadu UMY. 2 CARA STUDI Penelitian ini dilaksanakan dalam tiga tahapan yang meliputi : (1) Pengumpulan data lapangan tentang sifatsifat fisis dan mekanis contoh tanah guna memperoleh sifat-sifat tanah, (2) Analisis likuifaksi dan penurunan permukaan tanah, (3) Analisis Indeks Potensi Likuifaksi. Obyek penelitian ditunjukkan pada Gambar 1. Evaluasi likuifaksi untuk setiap pasangan data sondir yang diperoleh, dihitung dengan menggunakan rumusan Robertson dan Wride (1998) berdasarkan data uji sondir atau cone penetration test (CPT). Sedangkan estimasi 139

3 penurunan permukaan tanah menggunakan rumusan metode yang dikembangkan oleh Zhang dkk (2002). Gambar 1 Titik titik pengujian bor dalam, SPT, dan sondir 2.1 Evaluasi Potensi Likuifaksi Prinsip dasar dalam evaluasi likuifaksi tanah adalah menghitung dua variabel utama yaitu (1) perilaku seismik tanah atau cyclic stress ratio (CSR) yang merupakan tegangan siklik yang menyebabkan likuifaksi dan (2) kemampuan tanah untuk menahan likuifaksi atau cyclic resistance ratio (CRR). Nilai CSR yaitu : CSR h 1 h 2 τ σ ' a σ g σ ' vo av max vo = = 0,65 rd vo A γ d γ sat Muka Tanah Muka Air Tanah (1) Tegangan overburden vertikal total (σ vo ) dan efektif (σ' vo ) dihitung berdasarkan berat volume tanah dan kedalaman muka air tanah (Gambar 2) dengan persamaan berikut : σ = γ h + γ h (2a) vo d 1 sat 2 σ ' vo = γ d h 1 + γ ' h 2 (2b) dengan γ d adalah berat volume kering tanah, γ sat dan γ masing-masing adalah berrat volume jenuh air dan berat volume efektif tanah. Hubungan kedalaman z dan nilai r d ini, menurut Seed dan Idriss (1971), secara analitik hubungan tersebut dapat didekati dengan fungsi seperti dituliskan pada persamaan (3). 1 0, z ; z < 9,15 m 1,174 0, 0267 z ; 9,15 z 23 m rd = 0, 744 0, 008 z ; 23 < z 30 m 0,5 ; z > 30 m (3) dengan z adalah kedalaman dengan satuan m. Nilai CRR 7.5 dihitung dengan persamaan (4a) dan (4b). Penghitungan CRR 7.5 mengikuti alur penghitungan seperti dituliskan pada diagram alir Gambar 3. ( ) q c 1 N cs CRR7.5 = 0, , ( ) 3 (4a) q c 1 N cs CRR7.5 = , 08 (4b) 1000 Selanjutnya faktor keamanan (FS L ) terhadap likuifaksi dihitung dengan persamaan (5). FS CRR CSR 7,5 L = MSF (5) dengan MSF adalah faktor pengali magnitudo gempa (magnitude scaling factor) dalam skala momen agar setara dengan CRR untuk gempa M w = 7,5. Besarnya MSF yang diusulkan dalam Youd dan Idriss (2001) yaitu : 174 MSF = (6) M 2,56 w Berdasarkan kriteria yang diberikan oleh Robertson dan Wride (1998), Lapisan tanah yang memiliki nilai I c > 2,6 dan (q c1n ) cs > 160 kg/cm 2 memiliki criteria sebagai lapisan tak-likuifaksi (non-liquefiable). Gambar 2 Tegangan-tegangan yang bekerja pada elemen tanah 140

4 Berdasarkan definisi yang diberikan dalam persamaan (7), nilai LPI dapat berkisar dari 0 untuk suatu lokasi dimana tidak terjadi likuifaksi hingga 100 untuk lokasi dimana faktor keamanan sama dengan nol di seluruh kedalaman 20 m. Gambar 3 Diagram alir untuk evaluasi CRR 7.5 (dimodifikasi dari Robertson, 2004). 2.2 Indeks Potensi Likuifaksi Indeks Potensi Likuifaksi atau Liquefaction Potential Index (LPI) adalah suatu indeks yang digunakan untuk estimasi potensi likuifaksi yang menyebabkan kerusakan fondasi. Metode ini pertama kali dikembangkan oleh Iwasaki dkk. (1978). LPI menganggap bahwa kerusakan likuifaksi adalah sebanding terhadap kondisi berikut : a. Ketebalan lapisan yang terlikuifaksi (liquefied layer), b. Jarak lapisan terlikuifaksi terhadap permukaan tanah, dan c. Jumlah lapisan dengan nilai faktor keamanan kurang dari satu (FS L < 1). Anggapan tersebut dirumuskan dalam persamaan (7). LPI = 20m 0 F w( z) dz (7) dengan, F = 1 FS untuk FS 1, F = 0 untuk FS > 1, dan w(z) merupakan fungsi bobot (weighting) yang bergantung pada kedalaman, yaitu w(z) = 10 0,5 z, dengan z adalah kedalaman lapisan pasir (m). Gambar 4 Hubungan nilai tahanan ujung seismic dan regangan volumetrik untuk beragam faktor keamanan (Zhang dkk., 2002) 2.3 Estimasi Penurunan Permukaan Tanah Untuk permukaan tanah yang relatif datar, bisa dianggap pergerakan arah lateral tidak terjadi atau sangat kecil setelah gempa bumi, sehingga regangan volumetrik akan sama dengan regangan vertikal. Penurunan permukaan tanah dapat dihitung dengan melakukan integral regangan vertikal untuk setiap lapisan tanah pada seluruh kedalaman seperti dituliskan dalam persamaan (8) (Zhang dkk., 2002). z 0 j S = ε dz = ε z (8) v v, i i i= 1 dengan ε v,i adalah regangan volumetrik pasca likuifaksi pada lapisan tanah ke-i dan z i adalah tebal lapisan tanah ke-i. Secara empirik, besarnya regangan vertical seismik sebagai fungsi dari faktor aman dan nilai tahanan ujung seismik diberikan dalam persamaanpersamaan pada Gambar Desain Studi Parametrik Berdasarkan penulusuran sumber-sumber pustaka tidak secara spesifik menyebutkan nilai tunggal (single option) untuk M w dan a max untuk gempa yang terjadi di Yogyakarta pada tanggal 27 Mei Beberapa peneliti (El-Nashai dkk., 2007; Tsuji dkk., 2009; UNEP/OCHA, 2007; Soebowo dkk., 2007; Thant dkk., 141

5 2010) menyebutkan variasi nilai M w berkisar 5,9 6,3, dan nilai a max dalam rentang 0,1g 0,7g. Sedangkan Lee dkk., (2006) dan Muntohar (2009), dengan M w = 6,3 diperoleh nilai a max 0.25g di lokasi studi. Berdasarkan penelusuran pustaka tersebut, maka pada penelitian ini dilakukan analisis parametrik terhadap parameter seismik yang berpengaruh yaitu magnitudo gempa (M w ) dan percepatan pergerakan tanah (a max ). Kedua parameter tersebut dibuat bervariasi yaitu : a. Magnitudo, M w : 4; 5,4; 6,3; 7,5; 8,3; 9,5 dan b. a max (g) : 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 Penghitungan faktor keamanan dan penurunan permukaan tanah dilakukan di setiap titik pengujian dengan variasi M w dan a max tersebut. Sehingga dapat diperoleh hubungan antara penurunan permukaan tanah dengan magnitudo a max. Berdasarkan hubungan ini maka akan dapat diketahui nilai kritis magnitudo dan a max yang dapat memicu terjadinya likuifaksi dan penurunan tanah. Gambar 6 Hubungan antara magnitudo gempa (M w ) dan indeks potensi likuifaksi 3 HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Evaluasi Potensi Likuifaksi Kajian parametrik untuk dua parameter seismik terhadap potensi likuifaksi seperti disajikan pada Gambar 5 dan 6. Berdasarkan kedua hubungan tersebut dapat diketahui bahwa tingkat risiko likuifaksi meningkat dengan bertambahnya nilai percepatan gempa di permukaan tanah dan magnitudo gempa. Lokasi di bangunan unit A merupakan area yang sangat rentan terhadap peningkatan percepatan gempa di permukaan tanah bila dibandingkan dengan bangunan unit B. Peningkatan percepatan gempa dari 0,25 g menjadi 0,6 g menyebabkan indeks potensi likuifaksi bertambah hingga mencapai 5 7 kali, sehingga risiko likuifaksi di bangunan A menjadi tinggi dan di bangunan unit B menjadi sedang. Keadaan ini dapat disebabkan oleh litologi tanah yang berbeda antara lokasi di unit A dan B. Gambar 7 Korelasi litologi pemboran inti Gambar 5 Hubungan percepatan gempa di permukaan tanah maksimum (a max ) dan indeks potensi likuifaksi Pada lokasi unit A, berdasarkan data bor log (Gambar 7) dapat diketahui bahwa lapisan pasir halus dalam kondisi lepas mendominasi litologi tanah. Hal ini berbeda dengan litologi tanah di lokasi unit B yang banyak pasir sedang agak lepas dan adanya lapisan batu pasir yang cukup tebal 1,8 m. Lee dan Fitton (1969) menyebutkan bahwa kekuatan tanah di awal likuifaksi 142

6 menurun dengan berkurangnya ukuran parikel pasir dan kepadatan pasir. Kandungan fraksi butir halus seperti lanau non-plastis dalam lapisan pasir merupakan bagian lemah yang dapat mengurangi kekuatan tanah. Kandungan butir halus di lokasi unit A (BH1) lebih besar daripada di lokasi unit B (BH2). Robertson dan Wride (1998) menuliskan bahwa tanah yang mengandung lanau non-plastis memiliki tahanan seismik yang relatif rendah. Berdasarkan hubungan antara percepatan gempa maksimum dan indeks potensi likuifaksi (Gambar 6) dapat diketahui secara umum bahwa potensi likuifaksi meningkat relatif besar hingga a max = 0,6 g. Kemudian setelah nilai terebut, tidak potensi likuifaksi meningkat relatif kecil. Sedangkan berdasarkan hubungan antara magnitudo gempa dan indeks potensi likuifaksi pada Gambar 6 diketahui bahwa potensi likuifaksi cenderung meningkat tajam hingga magnitudo M w = 1011, kemudian setelah nilai ini potensi likuifaksi meningkat relatif kecil. Kedua hasil ini dapat dikatakan sebagai nilai maksimum yang menyebabkan seluruh lapisan pasir mengalami likuifaksi. 3.2 Estimasi Penurunan Permukaan Tanah Penurunan permukaan tanah untuk berbagai nilai percepatan gempa maksimum dan magnitudo gempa diberikan pada Gambar 8 dan 9. Mengacu pada hasil analisis Gambar 5 dan 6 serta faktor aman pada persamaan (5), dapat diketahui bahwa potensi likuifaksi akan berkurang seiring dengan meningkatnya percepatan gempa maksimum (a max ) dan magnitudo gempa (M w ). Sebagai akibat dari tingginya percepatan gempa di permukaan tanah, maka goyangan yang ditimbulkan juga semakin kuat dan menghasilkan penurunan permukaan tanah yang besar pula. Gambar 8 Hubungan antara percepatan permukaan tanah maksimum (a max ) dan penurunan permukaan tanah Gambar 9 Hubungan antara magnitodo gempa (M w ) dan penurunan permukaan tanah Karakteristik hubungan antara a max dan M w terhadap penurunan permukaan tanah di lokasi bangunan unit A (titik SB1, SB4, SR2) berbeda dengan unit B (titik SB5, SB8, SR7). Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa litologi masing-masing berbeda. Ishihara (1993) dan Youd dan Garris (1995) menyebutkan bahwa potensi likuifaksi yang menyebabkan penurunan permukaan tanah juga bergantung pada perbandingan ketebalan lapisan tanah dan lapisan tanah yang tidak terlikuifaksi (non-liquefiable layers). Berdasarkan hasil bor log (Gambar 7) dengan mudah diketahui bahwa lapisan takterlikuifaksi di unit B (BH2) lebih tebal dibandingkan di unit A (BH1). Hubungan yang diberikan pada Gambar 8 dan 9 adalah fungsi sigmoidal. Ciri dari fungsi ini adalah terdapat bagian yang linear lurus dan bagian yang mencapai maksimum. Secara umum dapat diketahui dari Gambar 8 bahwa penurunan permukaan tanah meningkat tajam hingga percepatan gempa maksimum sebesar 0,4 0,6g. Peningkatan percepatan gempa maksimum setelah 0,6g hanya menghasilkan penurunan permukaan tanah yang bertambah secara asimtotik. Pada kondisi ini, lebih dari 50% lapisan tanah mengalami likuifaksi yang mana faktor aman kurang dari 1 (FS L < 1). Hal ini seperti dijelaskan pula dalam Muntohar(2009). Hasil ini konsisten dengan hasil analisis potensi likuifaksi pada Gambar 5 sebelumnya. Penelitian yang dilakukan oleh Ishihara dan Yoshimine (1992) menunjukkan bahwa penurunan permukaan tanah masih akan berlanjut setelah percepatan batas potensi likuifaksi. Karakteristik yang berbeda dihasilkan dari hubungan antara magnitudo gempa dan penurunan permukaan tanah (Gambar 9). Penurunan di permukaan tanah meningkat tajam dengan bertambahnya magnitudo gempa M w 7,5 10. Namun berdasarkan hasil estimasi potensi likuifaksi (Gambar 6), potensi likuifaksi meningkat tajam seiring bertambahnya magnitudo gempa hingga mencapai batas M w Hasil ini dapat dimungkinan terjadi pada lapisan pasir dengan 143

7 kepadatan yang lepas yang mana penurunan relatif besar sebelum magnitudo gempa mencapai batas maksimumnya. 4 KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan dapat dibuat beberapa kesimpulan yaitu : 1 Magnitudo dan percepatan gempa yang lebih besar menyebabkan lapisan tanah banyak mengalami likuifaksi dan memicu kerusakan di permukaan tanah. 2 Penurunan di permukaan tanah meningkat tajam dengan bertambahnya magnitudo gempa M w = 7,5 10 dan percepatan gempa maksimum a max = 0,4 0,6g. 3 Potensi likuifaksi dan penurunan permukaan tanah dipengaruhi tidak hanya oleh parameter seismik, tetapi juga oleh litologi tanah. UCAPAN TERIMA KASIH Naskah ini merupakan bagian dari hasil penelitian Mikro-Zonasi Potensi Likuifaksi dan Penurunan Tanah Akibat Gempa Bumi yang didanai oleh Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Penulis mengucapkan terima kasih atas dana yang diberikan melalui program Kompetisi Penelitian Dosen pada tahun DAFTAR PUSTAKA Elnashai, A.S., Kim, S.J., Gun, Y.J., Sidarta, D., 2007, The Yogyakarta Earthquake of May 27, 2006, MAE Center Report No , 570p. Ishihara K., Liquefaction and flow failure during earthquakes. 33 rd Rankine Lecture, Geotechnique 43(3): Ishihara K., Yoshimine M., Evaluation of settlement in sand deposits following liquefaction during earthquake. Soils and Foundations JSSMFE 32 (1), pp Iwasaki T., Tatsuoka F., Tokida K., Yasuda S, A practical method for assessing soil liquefaction potential based on case studies at various sites in Japan.Proceeding 2 nd International Conference on Microzonation, San Francisco, pp Karnawati D., Husein S., Pramumijoyo S., Ratdomopurbo A., Watanabe K., Anderson R., Earthquake Microzonation and Hazard Maps of the Bantul Area, Yogyakarta, Indonesia, The Yogyakarta Earthquake of May 27, p. 7-1 to 7-15, Star Publishing Company Inc. California. Lee K L., Fitton J A., Factors affecting the cyclic loading strength of soil, in Vibration Effect of Earthquakes in Soils and Foundations, ASTM STP 450: Lee, S.H.H., Ching, H.H., Muntohar, A.S., 2006, Study on Liquefaction Problem of Yogyakarta Area at Earthquake", Proceeding International Seminar and Symposium on Earthquake Engineering and Infrastructure & Building Retrofitting (EE & IBR), Yogyakarta, 28 August 2006, pp Muntohar, A.S., 2009, Evaluation of Peak Ground Acceleration Using CPT Data for Liquefaction Potential, Proceeding 4th Annual International Workshop & Expo on Sumatra Tsunami Disaster & Recovery, Banda Aceh, November 2009, pp Robertson P K., 2004, Evaluating Soil Liquefaction and Post-earthquake deformations using the CPT. In Viana da Fonseca & Mayne (eds.): Proceedings ISC- 2 on Geotechnical and Geophysical Site Characterization, Millpress, Rotterdam, Robertson P K., Wride C E., 1998, Evaluating cyclic liquefaction potential using the cone penetration test. Canadian Geotechnical Journal 35: Seed H B, Idriss I M Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division ASCE 97(9): Soebowo, E., Tohari, A., Sarah, D., 2007, Study on Liquefaction Potential of Opak Fault in Patalan, Bantul, Yogyakarta", Proceeding of Seminar on Geotechnology, Bandung, 3 December 2007, pp Thant, M., Pramumijoyo, S., Hendrayana, H., Kawase, H., Adi, A.D., 2010, Evaluation Of Strong Ground Motion For Yogyakarta Depression Area, Indonesia, Journal of Southeast Asian Applied Geology 2(2): Tsuji, T., Yamamoto, K., Matsuoka, T., Yamada, Y., Onishi, K., Bahar, A., Meilano, I., Abidin, H.Z., 2009, Earthquake fault of the 26 May 2006 Yogyakarta earthquake observed by SAR interferometry, Earth Planets Space 61: e29 e32 UNEP/OCHA, 2007, Dam Integrity Assessment following the Yogyakarta Earthquake Indonesia, Consolidated report on activities undertaken through the Monitoring and Information Centre of the European Commission & the Joint UNEP/OCHA Environment Unit, Joint UNEP/OCHA Environment Unit Youd T L., Garris C T., Liquefaction induced ground surface disruption. Journal of Geotechnical Engineering 121(11): Youd, T.L., Idriss, I.M., 2001, Liquefaction ressitance of 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 127(4): Zhang, G., Robertson, P.K., Brachman, R.W.I., 2002, Estimating liquefaction-induced ground settlements from CPT for level ground. Canadian Geotechnical Journal 39: