TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung

Transkripsi

1 STUDI KESTABILAN LERENG DENGAN PERKUATAN BORED PILE MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA (Studi Kasus : Bendungan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar Propinsi Nanggroe Aceh Darussalam) TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh DEVI SUNDARY NIM : Program Studi Rekayasa Geoteknik INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2005

2 STUDI ANALISIS STABILITAS LERENG YANG DIMODIFIKASI DENGAN PERKUATAN BORED PILE MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA (Studi Kasus : Bendungan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar, Propinsi Nanggroe Aceh Darussalam) TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh DEVI SUNDARY NIM : Program Studi Rekayasa Geoteknik INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2005

3

4 ABSTRAK STUDI ANALISIS STABILITAS LERENG YANG DIMODIFIKASI DENGAN PERKUATAN BORED PILE MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA Oleh Devi Sundary NIM : Studi ini berisi analisis stabilitas lereng Bendungan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar, Nanggroe Aceh Darussalam, di mana dilakukan modifikasi pada bagian hilir bendungan dengan menggunakan perkuatan tiang bor. Pada bagian hilir bendungan tersebut dilakukan pemotongan yang berguna untuk dapat digunakan lahannya, seperti bercocok tanam untuk para penduduk disekitarnya, tempat rekreasi, lapangan yang dapat dipergunakan, dan lain-lain. Lebar lahan yang dipotong sebesar 30 meter dengan tinggi lereng bendungan menjadi 8 meter. Analisis ini dilakukan dengan menggunakan metode elemen hingga dengan bantuan program Plaxis versi 7. Perkuatan lereng dengan tiang bor mempunyai diameter 1,00 meter, kedalaman 18 meter, dan spasi antar tiang bor sebesar 1,5 meter. Berdasarkan hasil analisis dengan menggunakan metode elemen hingga bahwa deformasi yang terjadi sangat kecil, dan menunjukkan bahwa mekanisme keruntuhan adalah jenis rotasi. Hasil analisis perhitungan program bahwa angka keamanan yang dihasilkan sesuai dengan yang disyaratkan. Pada bendungan sebelum dimodifikasi diperoleh faktor keamanan di atas 1,5. Stabilitas akibat pengaruh beban gempa pseudostatic dengan periode ulang 144 tahun, faktor keamanan diperoleh di atas 1,2. Pada analisis kestabilan lereng bendungan yang diperkuat dengan tiang bor diperoleh angka keamanan di atas 1,5, dan akibat beban gempa di atas 1,2. Disamping dilakukan analisis statik, dilakukan juga analisis rembesan baik kondisi steady state maupun kondisi rapid drawdown. Kata-kata kunci: stabilitas lereng, bendungan yang diperkuat, tiang bor, metode elemen hingga Abstrak i

5 ABSTRACT STUDY ANALYSIS OF SLOPE STABILITY ON BORED PILE REINFORCED DAM USING FINITE ELEMENT METHODE By Devi Sundary NIM : This study conducted on slope stability of Waduk Keuliling Dam Kabupaten Aceh Besar, Nanggroe Aceh Darussalam, where modification was conducted on the downstream side by installing bored pile reinforcement. In the downstream, the slope was cut to create an open area which can be used for farming, recreation, sports area, etc. Slope cutting area has 30 meters long and 8 meters high. The analysis using the finite element method using Plaxis Geotechnic Program version 7. Reinforcement in the slope with bored pile, 1 meter in diameter and 18 meters long and 1,5 meters pile spacing. According to the result of the analysis, deformation are small and the mechanism of slope failure is rotation. The result of the calculation analysis shows that the safety factor is appropriate. Before the modification, the safety factor is higher than 1,5. Other wise the stability caused by the pseudo static earthquake in 144 years period, the safety factor shows higher than 1,2. On the slope stability analysis of the reinforced dam using bored pile shows the value of safety factor higher than 1,5. Under earthquake loading which was calculated by pseudo static method, the safety factor is higher than 1,2. Beside static analysis, seepage analysis under steady state condition and rapid drawdown were also calculated. Keywords: slope stability, reinforce dam, bored pile, finite element method Abstract ii

6 PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung. Pedoman Penggunaan Tesis iii

7 KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur saya panjatkan kepada Allah S.W.T karena atas karunia- Nya penyusunan penelitian dan penulisan tesis ini dapat diselesaikan. Namun saya menyadari bahwa dalam penyusunan tesis ini masih terdapat kekurangan, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun kearah kesempurnaan tesis ini akan diterima dengan senang hati. Pada kesempatan yang baik ini, saya menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Suyud R. Karyasuparta, MSc, Ph.D selaku dosen pembimbing dalam pengerjaan tesis ini, yang telah bersedia menyediakan banyak waktu serta memberikan bimbingan dan bantuan. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. A. Aziz Djayaputra, MSCE dan Bapak Ir. Syarifuddin Nasution, M.Eng, selaku dosen penguji yang telah memberikan saran dan masukan bagi pengerjaan tesis ini. 3. Bapak Dr. Ir. Ilyas Supratman, selaku Ketua KBK Geoteknik dan Bapak Dr. Ir. Bigman M. Hutapea, MSc, selaku Ketua Laboratorium Mekanika Tanah, atas segala bimbingan dan petunjuknya selama mengikuti studi. 4. Seluruh karyawan, juga Fritz dan Andys di laboratorium Mekanika Tanah atas bantuannya dalam penyelesaian tesis ini. 5. Seluruh karyawan Tata Usaha dan Perpustakaan atas bantuannya baik dalam penyelesaian tesis ini maupun selama masa perkuliahan. 6. Kepada pemberi beasiswa yang telah banyak membantu selama studi. 7. Teman-teman seperjuangan: Alex, Dony, P Dwi, P Encu, P Garup, P Harry, Si Bungsu Pipit, dan P Taufik. 8. Rekan-rekan Angkatan 02 dan 04: P Jalil, Rafika, Mas Iman & Yessie, Abdul, Rifki, Budi, Dani, Dica, Nu2ng, juga temanku Meri, Ina, & Heni. 9. Terakhir kepada yang tersayang Suami & Anakku Adun-Kiram, juga Ibu & Mamak, serta saudara-saudaraku tercinta, atas bantuan, dukungan, doa, dan semangat yang telah diberikan selama studi dan penyelesaian tesis ini. Semoga tesis ini dapat bermanfaat bagi para pembaca. Amien Ya Rabbal Alamin Bandung, 29 Nopember 2005 Devi Sundary Kata Pengantar iv

8 DAFTAR ISI ABSTRAK ABSTRACT PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR LAMPIRAN DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL Halaman i ii iii iv v viii ix xi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Umum I Latar Belakang I Tujuan Penelitian I Ruang Lingkup Penelitian I Metodologi Penelitian I Sistematika Penulisan I-3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Konsep Kestabilan Lereng II Keruntuhan Lereng II Kriteria Keruntuhan Mohr Coulomb II Penyebab Keruntuhan Lereng II Pola Keruntuhan Lereng II Pengaruh Air Tanah Terhadap Stabilitas Lereng II Hukum Darcy II Persamaan Pengatur II Penyelesaian Aliran II Pengaruh Gempa Terhadap Stabilitas Lereng II Analisis Kestabilan Lereng II-12 Daftar Isi v

9 2.5.1 Konsep Faktor Keamanan II Metode Analisis Kestabilan Lereng II Metode Analisis Terhadap Pengaruh Gempa II Struktur dan Konstruksi Turap II Teori Rankine II Tekanan Tanah II Tegangan dan Deformasi Tanah II Analisa Metode Elemen Hingga II Konsep Dasar Metode Elemen Hingga II Formula Elemen Hingga Material Konstruksi Tiang Bor II Formula Elemen Hingga Pada Rembesan II Parameter yang Digunakan II Parameter untuk Pemodelan Tanah II Parameter Perkuatan Tiang Bor II Parameter Data Gempa II Korelasi data Empirik II Analisis Pemodelan Material II Metode Analisis Seepage II Metode Analisis Safety Factor II Tahap Analisis pada Program Plaxis Versi 7 II Tahap Data Masukan (Input) II Tahap Kalkulasi II Tahap Keluaran (Output) II-53 BAB III STUDI KASUS 3.1 Data Teknis Bendungan Waduk Keuliling III Parameter Material pada Bendungan III Data Tanah III Data Gempa III-6 Daftar Isi vi

10 BAB IV ANALISIS DAN PEMBAHASAN 4.1 Analisis Parameter Tanah IV Analisis Struktur Perkuatan Tiang Bor IV Analisis Data Gempa IV Analisa Tegangan Tubuh Bendungan Terhadap Gempa OBE (Operating Basis Earthquake) IV Perhitungan Gempa OBE IV Pelaksanaan Bendungan Waduk Keuliling IV Tahapan Analisis Stabilitas Bendungan IV Tahapan Analisis Stabilitas Lereng Bendungan Yang Diperkuat IV Tahapan Analisis Seepage pada Stabilitas Lereng Bendungan Yang Diperkuat IV Hasil Analisis Stabilitas Bendungan Waduk Keuliling IV Hasil Analisis Perhitungan Sebelum Bendungan Diperkuat IV Hasil Analisis Perhitungan Setelah Bendungan Diperkuat IV-12 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan V Saran V-2 DAFTAR PUSTAKA Daftar Isi vii

11 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 3.1 Bendungan Utama STA 0+500, STA 560, dan STA Lampiran 3.2 Denah Bendungan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar 2 Lampiran 3.3 Lokasi Titik Bor Pada AS Bendungan 3 Lampiran 3.4 Kondisi Lapisan Tanah Pondasi dan Nilai Permeabilitas 4 Lampiran 3.5 Grafik Hubungan Tegangan dan Regangan Lokasi 5 Lampiran 4.1 Hasil Analisis Bendungan Waduk Keuliling Sebelum Diperkuat 6 Lampiran 4.2 Hasil Analisis Bendungan Waduk Keuliling Setelah Diperkuat 24 Daftar Lampiran viii

12 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Selubung Mohr Coulomb II-2 Gambar 2.2 Beberapa Jenis Pola Keruntuhan II-5 Gambar 2.3 Percobaan Hukum Darcy II-6 Gambar 2.4 Elemen Aliran yang Melalui Media Berpori II-8 Gambar 2.5 Beberapa Variasi Definisi Faktor Keamanan II-13 Gambar 2.6 Pembagian Massa Tanah yang Menggelincir II-14 Gambar 2.7 Gaya-gaya yang Bekerja pada Irisan II-15 Gambar 2.8 Faktor Koreksi fo Metode Simplifikasi Janbu II-20 Gambar 2.9 Gaya yang Bekerja pada Analisis Pseudostatic II-21 Gambar 2.10 Dinding Turap Kantilever II-22 Gambar 2.11 Dinding Turap Berjangkar II-22 Gambar 2.12 Pergeseran Dinding Turap Akibat Tekanan Tanah Aktif Dan Pasif II-23 Gambar 2.13 Tekanan Aktif dan Pasif pada Lingkaran Mohr II-24 Gambar 2.14 Pengaruh Gesekan Terhadap Pergerakan Tanah II-25 Gambar 2.15 Pengaruh Kekakuan Dinding Turap Terhadap deformasi II-26 Gambar 2.16 Aplikasi Elemen Segiempat dan Segitiga II-27 Gambar 2.17 Sistem Koordinat pada Metode Elemen Hingga II-28 Gambar 2.18 Elemen Satu Dimensi II-32 Gambar 2.19 Permeabilitas antara Zona Saturated dan Unsaturated II-38 Gambar 2.20 Definisi Eo dan E 50 II-41 Gambar 2.21 Sistem Koordinat Tiga Dimensi dan Konversi Tanda Tegangan II-48 Gambar 2.22 Principal Stress Space II-50 Gambar 2.23 Aliran Air Melalui Bendungan dengan Permukaan Seepage II-50 Gambar 3.1 Lokasi Bendungan Waduk Keuliling III-1 Gambar 3.2 Geometri Bendungan Waduk Keuliling III-2 Gambar 3.3 Susunan Zona Material Bendungan Waduk Keuliling III-4 Gambar 3.4 Distribusi Kejadian Gempa Disekitar Lokasi III-6 Gambar 3.5 Distribusi Percepatan Gempa di Batuan Dasar III-7 Daftar Gambar ix

13 Gambar 4.1 Keterangan Parameter Tanah IV-2 Gambar 4.2 Detail Pemodelan Tiang Bor IV-2 Gambar 4.3 Bendungan Sebelum Digunakan Perkuatan Tiang Bor IV-3 Gambar 4.4 Bendungan Yang Diperkuat Dengan Tiang Bor IV-3 Daftar Gambar x

14 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Besar Faktor Keamanan Tabel 2.2 Kondisi Keseimbangan Static yang Dipenuhi Metoda Keseimbangan Batas Tabel 2.3 Sudut Geser Dalam untuk Beberapa Jenis Tanah Tabel 2.4 Sudut Geser Dalam untuk Tanah selain Tanah Lempung Tabel 2.5 Modulus Es untuk Beberapa Jenis Tanah Tabel 2.6 Korelasi Es dengan Tahan Konus q c Tabel 2.7 Korelasi Modulus Elastisitas Es dengan N-SPT Tabel 2.8 Korelasi Nilai Tahanan Konus Sondir q c dengan N-SPT Tabel 2.9 Korelasi Nilai Tahanan Konus Sondir q c dengan N-SPT Tabel 2.10 Nilai Permeabilitas Berdasarkan Jenis Tanah Tabel 2.11 Nilai Modulus Elastisitas dan Angka Poisson s Tabel 4.1 Properties Parameter Tanah Model Mohr Coulomb Tabel 4.2 Properti Material Tiang Bor Tabel 4.3 Pelaksanaan Penimbunan Bertahap pada STA Tabel 4.4 Pelaksanaan Penimbunan Bertahap pada STA Tabel 4.5 Pelaksanaan Penimbunan Bertahap pada STA Tabel 4.6 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Sebelum Diperkuat Pada STA Tabel 4.7 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Sebelum Diperkuat Pada STA Tabel 4.8 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Sebelum Diperkuat Pada STA Tabel 4.9 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Setelah Diperkuat Pada STA Tabel 4.10 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Setelah Diperkuat Pada STA Tabel 4.11 Hasil Analisis Bendungan Sebelum Setelah Diperkuat Pada STA Halaman II-12 II-16 II-44 II-44 II-45 II-45 II-46 II-46 II-46 II-47 II-47 IV-1 IV-4 IV-8 IV-8 IV-8 IV-9 IV-10 IV-10 IV-12 IV-13 IV-14 Daftar Tabel xi

15 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Berdasarkan hasil analisis perhitungan Program Plaxis yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan yang mewakili hasil dari keseluruhan penelitian ini. 1. Pemotongan bendungan dibagian hilir dalam rangka penggunaan lahan untuk kepentingan penduduk disekitar lokasi khususnya, dan untuk masyarakat pada umumnya. Lebar lahan yang dipotong sebesar 30 meter dengan tinggi lereng bendungan dibagian hilir menjadi 8 meter. 2. Berdasarkan hasil analisis stabilitas bendungan sebelum diperkuat pada STA 0+500, STA 0+560, dan STA diperoleh faktor keamanan di atas 1,5, hal ini juga terjadi pada analisis rembesan baik pada kondisi steady state maupun rapid drawdown. Sedangkan stabilitas akibat pengaruh beban gempa pseudostatic dengan periode ulang 144 tahun, faktor keamanan diperoleh di atas 1,2, di mana analisis rembesan juga menghasil faktor keamanan di atas 1,2. Mekanisme keruntuhan yang terjadi pada ketiga STA tersebut merupakan jenis rotasi. Dengan demikian bendungan aman terhadap bahaya kelongsoran. 3. Pada analisis kestabilan lereng bendungan dengan pemotongan dibagian hilir yang diperkuat dengan tiang bor pada STA 0+500, STA 0+560, dan STA menunjukkan bahwa bendungan aman terhadap bahaya kelongsoran. Hal ini dapat dilihat berdasarkan hasil perhitungan program bahwa faktor keamanan yang diperoleh di atas 1,5, sedangkan akibat pengaruh beban gempa di atas 1,2. Mekanisme keruntuhan yang terjadi juga jenis rotasi. 4. Deformasi yang dihasilkan dari keseluruhan analisis kestabilan bendungan baik tanpa perkuatan maupun adanya perkuatan sangatlah kecil, hal ini terlihat jelas dari bentuk keruntuhan yang diperoleh dari hasil output program. Kesimpulan & Saran V-1

16 5. Dengan demikian Bendungan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar dengan menggunakan perkuatan dalam keadaan stabil dan aman terhadap bahaya kelongsoran. Penggunaan perkuatan tiang bor dengan diameter 1,00 meter, kedalaman 18 meter, dan spacing antar tiang bor sebesar 1,5 meter (as ke as) dapat digunakan sebagai daya tahan pada bagian hilir bendungan. 5.2 Saran Setelah melakukan analisis perhitungan, maka penulis memberi saran untuk lebih mencapai keakuratan hasil adalah sebagai berikut: 1. Oleh karena perkuatan tiang bor yang digunakan untuk menahan gaya dorong tanah, sebaiknya peneliti selanjutnya menggunakan program L-Pile. Dan dapat mengatur beberapa konfigurasi perkuatan tiang bor. 2. Pada analisis rembesan sebaiknya dibandingkan dengan metode elemen hingga yang lain, salah satunya Program SEEP/W. Kesimpulan & Saran V-2

17 DAFTAR PUSTAKA 1. Abraham, L. W. Lee T.S., Sharma S., and Boyce G.M., Slope Stability and Stabilization Methods, John Wiley and Sons, Inc. New York, Bowles, Joseph E, Foundation Analysis and Design, Fifth Edition, Mc Graw Hill International Edition, Bowles, Joseph E, Physical and Geotechnical Properties of Soil, International Student Edition, Mc Graw Hill, Tokyo-Japan. 4. Brinkgreve, R. B. J., dan Vermeer, P. A., Plaxis, Finite Elemen Code for Soil and Rock Analysis Version 7. A.A. Balkema/Rotterdam/Brookfield, Chandrakant S. Desai and Jhon T. Christian, Methods in Geotechnical Engineering, McGraw-Hill Series, Craig, R.F., Soil Mechanics, Fourth Edition, Van Norstrand Reinhold (UK) Co. Ltd., Das, Braja M., Mekanika Tanah, Penerbit Erlangga, Dawson E.M., Roth W.H. and Drescher A. Slope Stability Analysis by Strength Reduction Geotechnique 49 No. 6, Duncan, J.M, State of the art Limit Equilibrium and Finite Element Analysis of Slopes, Journal of Geotechnical Engineering Division, ASCE, 122 No. 7, , Hardiyatmo, C.H., Mekanika Tanah, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, Holtz R.D, dan Kovacs W.D., An Introduction to Geotecnical Engineering, Prentice Hall., Jalil, A, Analisis Rembesan dan Stabilitas Lereng Bendung Waduk Keuliling Kab. Aceh Besar, Tesis Magister ITB Bidang Rekayasa Geoteknik Program Studi Rekayasa Sipil, Kramer, Steven. L., Geotechnical Eartquake Engineering, Prentice Hall Upper Saddle River, New Jersey 07458, Lambe T.W, dan Whitman R.V., Soil Mechanics, Jhon Willey and Sons, Inc Wahana Adya Konsultan, P.T., Laporan Akhir Geologi Pekerjaan Pemantapan Waduk Keuliling Kabupaten Aceh Besar, Daftar Pustaka

18 16. Wiratman dan Associates Bekerjasama dengan Trapenca Puga raya, P.T., Laporan Utama Evaluasi Geologi, Hidrologi dan Konfirmasi Desain Waduk Keuliling, Wiratman dan Associates Bekerjasama dengan Trapenca Puga Raya, P.T., Gambar Desain Evaluasi Geologi, Hidrologi dan Konfirmasi Desain Waduk Keuliling, Wood D.M., Soil Behavior and Critical State Soil Mechanics, Cambridge University Press Daftar Pustaka