MEKANIKA TANAH SIFAT INDEKS PROPERTIS TANAH MODUL 2. UNIVERSITAS PEMBANGUNAN JAYA Jl. Boulevard Bintaro Sektor 7, Bintaro Jaya Tangerang Selatan 15224

Transkripsi

1 MEKANIKA TANAH MODUL 2 SIFAT INDEKS PROPERTIS TANAH UNIVERSITAS PEMBANGUNAN JAYA Jl. Boulevard Bintaro Sektor 7, Bintaro Jaya Tangerang Selatan 15224

2 PENDAHULUAN Sifat-sifat indeks (index properties) menunjukkan sifatsifat tanah yang mengindikasikan jenis dan kondisi tanah, serta memberikan hubungan terhadap sifat-sifat mekanis (engineering properties) seperti kekuatan dan pemampatan atau kecenderungan untuk mengembang, dan permeabilitas. Untuk tanah berbutir kasar (coarse-grained), sifat-sifat partikelnya dan derajat kepadatan relatif adalah sifat-sifat yang paling penting. Sedangkan, untuk tanah berbutir halus (fine-grained), konsistensi (keras atau lunak) dan plastisitas merupakan sifat-sifat yang paling berpengaruh

3 PENDAHULUAN TANAH Berdasarkan analisis saringan Kohesif (diperlukan suatu gaya untuk memisahkan butiran tanah pada saat kering) Non kohesif (butiran tanah sudah terpisah pada saat kering, melekat saat basah saja) Berbutir halus (fine grained) Berbutir kasar (coarse grained)

4 UKURAN PARTIKEL Tanah merupakan campuran partikel-partikel yang terdiri dari satu atau seluruh jenis berikut : Berangkal (boulders) Kerikil (gravel) Pasir (sand) Lanau (silt) Lempung (clay) Bedakan antara tanah lempung dan mineral lempung!!! Dari segi mineral (bukan ukurannya) yang disebut tanah lempung (dan mineral lempung) adalah yang memiliki partikel mineral tertentu yang bersifat plastis bila dicampur dengan air

5

6 Susunan Tanah Granular

7 PENGARUH AIR PADA LEMPUNG Air tidak mempengaruhi perilaku tanah non kohesif (granular), contoh kuat geser pasir sama pada kondisi kering/basah Pada tanah non kohesif distribusi ukuran partikel yang dominan Pada tanah lempung variasi kadar air mempengaruhi plastisitas

8 PENGARUH AIR PADA LEMPUNG Bagaimana mekanisme nya??? Partikel lempung memiliki muatan negatif, untuk mengimbanginya, partikel lempung akan menarik ion muatan positif dari garam yang ada di air pori

9 KOMPOSISI FASE TANAH Suatu massa tanah terdiri dari : Partikel padat (solid) Air (water) Udara (air) Asumsi : total volume V t, dengan volume massa padat V s dan volume rongga V v yang dapat terdiri dari volume terisi air V w dan volume terisi udara V a

10 HUBUNGAN VOLUME -BERAT 3 FASE

11 HUBUNGAN VOLUME -BERAT volume total tanah dapat dinyatakan : V V V V V V Dimana : s v s w a V s V v V w V a = volume butiran padat = volume pori (void) = volume air dalam pori = volume udara dalam pori Udara dianggap tidak memiliki berat maka berat total dari contoh tanah dapat dinyatakan sebagai : W W s W w Dimana : W s W w = berat butiran padat = berat air

12 Hubungan perbandingan volumetrik yang umum dipakai dalam menentukan fase tanah ini adalah : angka pori (e), didefinisikan sebagai perbandingan antara volume pori dan volume butiran padat. Umumnya dinyatakan dalam desimal dibandingan persen. Besaran nilai angka pori dari 0 sampai tidak terhingga. e V V v s porositas (n), didefinisikan sebagai perbandingan antara volume pori dan volume tanah total, umumnya dinyatakan dalam persen. Besaran nilai porositas antara 0 sampai 100 % n V V v t 100% derajat kejenuhan (S), didefinisikan sebagai perbandingan antara volume air dan volume pori,dinyatakan dalam persen. Bila tanah telah kering maka S = 0 % dan bila pori terisi seluruhnya air maka S = 100 %. kadar air (w) didefinisikan sebagai perbandingan antara berat air dan berat butiran padat dari volume tanah yang diselidiki V S V w v W w W 100% w s 100%

13 Hubungan perbandingan volumetrik yang umum dipakai dalam menentukan fase tanah ini adalah : Berat volume, didefinisikan sebagai berat tanah per satuan volume, berat dipengaruhi gravitasi (W = mg) Berat volume juga dapat dinyatakan dalam berat butiran padat, kadar air, dan volume total V w W V W W W V W W V W s s w s w s 1 1 g g V m V W. Berat jenis (specific gravity), didefinisikan sebagai berat jenis dari butiran tanah padat, Gs. Nilai berat jenis tanah berkisar antara 2,65 2,72 w s s w s s V W G

14 Hubungan antara berat volume, angka pori, kadar air dan berat spesifik Karena volume butiran padat adalah 1, maka volume dari pori sama dengan angka porinya (e). Berat dari butiran padat dari air dapat dinyatakan sebagai : W s = G s w W w = w.w s = w.g s w

15 Hubungan antara berat volume, angka pori, kadar air dan berat spesifik γ = W V = W s + W w V = G sγ w + wg s γ w 1 + e = 1 + w G sγ w 1 + e γ d = W s V = G s γ w 1+e Karena berat air dalam elemen tanah yang ditinjau wg s γ w, volume yang ditempati air adalah V w = W w γ w = wg s γ w γ w = wg s Maka derajat kejenuhan adalah : S = V w = wg s V v e atau Se = wg s

16 Apabila tanah dalam keadaan jenuh, Jenuh artinya ruang pori terisi penuh oleh air γ sat = W V = W s + W w V = G s + e γ w 1 + e = G sγ w + eγ w 1 + e Berat tanah jenuh air

17 w = W w W s = massa air. g massa batuan padat. g = m w m s Karena massa butiran padat elemen tanah sama dengan G s ρ w, maka massa air = m w = wm s = wg s ρ w Dari persamaan sebelumnya, kerapatan adalah : ρ = m V = m s+m w V s +V v = G sρ w +wg s ρ w 1+e = 1+w G sρ w 1+e kerapatan kering dry density = ρ d = G sρ w 1+e kerapatan jenuh air saturated density = ρ sat = (G s+e)ρ w 1+e

18 Hubungan antara berat volume, porositas dan kadar air Karena V = 1, maka V v sama dengan n. Sehingga V s = 1 n. Berat butiran padat (W s ) dan berat air (W w ) dapat dinyatakan sebagai berikut : W S = G s γ w (1 n) W w = ww s = wg s γ w (1 n) Jadi berat volume kering sama dengan : γ d = W s V = G sγ w (1 n) 1 = G s γ w (1 n) Berat isi tanah sama dengan : γ = W s+w w V = G s γ w (1 n)(1 + w)

19 Pada tanah jenuh air γ sat = W s+w w = 1 n G sγ w +nγ w = 1 n G V 1 s γ w + nγ w Kadar air dari tanah jenuh air dinyatakan sebagai : w = W w W S = Berat isi tanah sama dengan : γ = W s+w w V nγ w 1 n γ w G s = = G s γ w (1 n)(1 + w) n 1 n G s

20 Kerapatan Relatif Kerapatan relatif atau relative density digunakan untuk menunjukkan kerapatan dari tanah berbutir (granular) di lapangan. Kerapatan relatif didefinisikan sebagai perbandingan antara angka pori tanah pada keadaan paling lepas dan keadaan tanah di lapangan terhadap perbedaan antara angka pori pada keadaan paling lepas dan paling padat. D r = e maks e e maks e min Dimana : D r = kerapatan relatif (dalam %) e = angka pori tanah di lapangan = angka pori tanah dalam keadaan paling lepas e maks

21 Contoh soal : Dalam keadaan asli, suatu tanah basah memiliki volume m 3 dan berat kg. Setelah dikeringkan dalam oven, berat tanah kering adalah kg. Apabila G s =2.71, hitung kadar air, berat volume basah, berat volume kering, angka pori,porositas dan derajat kejenuhan Pembahasan : Kadar air w = W w W s = W W s W s = Berat volume basah = γ = W V = , Berat volume kering = γ d = W s V = % = 15,6% = kg/m3 = kg/m3 Angka pori = e = V v V s, w = 1000 kg/m 3 V s = W s = G s γ w = m3 V v = V V s = = m 3 e = =

22 Pembahasan : V v = V V s = = m 3 e = = porositas = n = e 1 + e = derajat kejenuhan = S = V w V v V w = W w = γ w 1000 = m3 S = V w V w = = 68.5 % = 0.38 x 100% = 38%

23 Contoh soal : Suatu sampel tanah basah pada piringan adalah 462 gr. Setelah dikeringkan dalam oven pada suhu 110⁰C dan kemudian ditimbang berat sampel dan piringan adalah 364 gr. Berat piringan kosong itu sendiri adalah 39 gr. Tentukan kadar air sampel tanah tersebut. Pembahasan : Berat total (basah) sampel + piringan Berat sampel kering + piringan Berat air Berat piringan Berat tanah kering = 462 gr = 364 gr = = 98 gr = 39 gr = = 325 gr kadar air = % = 30.2 %

24 ANALISIS UKURAN BUTIRAN Uji Saringan (Untuk tanah berbutir kasar) Sifat tanah sangat tergantung dari ukuran butirannya Analisis ukuran butiran digunakan sebagai dasar pemberian nama dan klasifikasi tanah. Definisi : penentuan persentase berat butiran pada satu unit saringan, dengan ukuran diameter lubang tertentu.

25 Bila Wi adalah berat tanah yang tertahan pada saringan ke-i (dari atas susunan saringan) dan W adalah berat tanah total, maka persentase berat yang tertahan adalah : % berat tertahan pada saringan = W i W 100 % Dan persentase lebih kecil dari saringan ke-i : i=n % berat lebih kecil daripada saringan ke i = 100% W i i=1

26

27

28 Parameter penting adalah ukuran efektif (effective size), koefisien keseragaman (uniformity coefficient), koefisien gradasi (curvature coefficient) Diameter dalam kurva distribusi ukuran yang bersesuaian dengan 10% yang lebih halus(lolos ayakan) didefinisikan sebagai ukuran efektif atau D 10. Nilai D 10 yang besar menunjukkan tanah lebih kasar dan memiliki karakteristik drainase yang baik Koefisien keseragaman (C u ) menunjukkan kemiringan kurva dan menunjukkan sifat keseragaman tanah. Cu makin kecil maka kurva makin tajam dan butiran tanah makin seragam. Gradasi baik jika Cu > 4 untuk kerikil dan Cu > 6 untuk pasir Koefisien gradasi (Cc), suatu tanah dianggap lengkungnya baik jika 1 < Cc < 3 dan jelek jika Cc < 1 dan Cc > 3, dinyatakan sebagai : D 30 D 60 C u C c D D D30 D D = diameter yang bersesuaian dengan 30 % lolos ayakan yang ditentukan dari kurva distribusi ukuran butiran = diameter yang bersesuaian dengan 60 % lolos ayakan yang ditentukan dari kurva distribusi ukuran butiran 10

29 Contoh soal : Hasil dari analisis saringan diberikan sebagai berikut : No.Saringan (ASTM) Massa tanah tertahan pada saringan (gr) # pan 12 Gambarkan kurva distribusi ukuran partikel dan tentukan D 10, D 30, D 60, C u dan C c

30 Penyelesaian : Untuk membuat kurva distribusi ukuran partikel, dihitung dulu persen butir tanah yang lebih kecil :

31 Penyelesaian :

32 Penyelesaian : Jumlah kumulatif massa tanah yang tertahan pada saringan ke i ( misalnya saringan No.10) dihitung : ΣM #10 = M #4 + M #10 = = 40 gr Dan pada saringan no.20 adalah ΣM #20 = M #10 + M #20 = = 100 gr Persen masa tanah yang lolos saringan atau persen butir lebih kecil dari ukuran diameter tertentu (misalnya 4,75 mm), dihitung : M M (#4) F(# 4) (%) 100% 100% 100% M 729 Dan persentase massa tanah yang lolos saringan no.10 : M M (#10) F(# 10) (%) 100% 100% 94,5% M 729 Dari kurva tersebut diketahui ukuran diameter butir D 10 = 0,15 mm, D 30 = 0,18 mm, dan D 60 = 0,27 mm

33 Analisis Hidrometer (Untuk tanah berbutir halus) Untuk menentukan gradasi butir-butir halus (< mm) dan menentukan distribusinya digunakan analiss hidrometer. Analisis hidrometer didasarkan pada prinsip sedimentasi (pengendapan) butir-butir tanah dalam air Analisis ini didasarkan pada hukum Stokes yang menyatakana bahwa butiran partikel mengendap dengan kecepatan konstan, yaitu : v s w 2 18 D D 18 v 18 v s w s w L T G. s s w D 18 L T K L G 1 T s w

34 KONSISTENSI DAN PLASTISITAS ilmuwan Swedia bernama Atterberg telah menggembangkan suatu metode untuk menjelaskan sifat konsistensi tanah berbutir halus pada kadar air yang bervariasi APA ITU KONSISTENSI??? merupakan salah satu sifat fisika tanah yang menggambarkan ketahanan tanah pada saat memperoleh gaya atau tekanan dari luar yang menggambarkan bekerjanya gaya kohesi (tarik menarik antar partikel) dan adhesi (tarik menarik antara partikel dan air) dengan berbagai kadar air yang diberikan. Contohnya : Apabila tanah berbutir halus mengandung mineral lempung, maka tanah tersebut dapat diremas (remolded) tanpa menimbulkan retakan. Sifat kohesif ini disebabkan karea adanya air yang terserap di sekeliling permukaan dari partikel lempung. Bila mana kadar airnya sangat tinggi, campuran tanah dan air akan menjadi sangat lembek seperti cairan

35 KONSISTENSI DAN PLASTISITAS Berdasarkan kadar airnya, tanah digolongkan dalam kondisi padat, semi padat, plastis dan cair terjadi transisi dari keadaan padat ke keadaan semi padat didefinisikan sebagai batas susut (shrinkage limit). Kadar air dimana transisi dari keadaan semi padat ke keadaan plastis dinamakan batas plastis (plastic limit) dan keadaan plastis ke keadaan cair dinamakan batas cair (liquid limit). Dikenal sebagai batas-batas Atterberg.

36 BATAS CAIR (LIQUID LIMIT) LL Batas cair adalah kadar air tanah pada batas cair dan batas plastis atau kadar air maksimum dimana tanah memiliki geser minimum yaitu pada ketukan ke 25 Ditentukan dengan melakukan percobaan Casagrande sesudah 25 pukulan yang dilakukan sebanyak minimum 4 kali percobaan dengan kadar air yang berbeda dan jumlah pukulan (N) antara 15 sampai 35

37 BATAS CAIR (LIQUID LIMIT) LL Kadar air dari tanah (%) dan N digambarkan dalam kertas semi log.

38 BATAS CAIR (LIQUID LIMIT) LL Atas dasar hasil analisis dari beberapa uji batas cair, US waterways Experiment Station, Vicksburg, Mississipi (1949) mengajukan suatu persamaan empiris untuk menentukan batas cair, yaitu : LL w N N 25 tan metode satu titik (one point method) Dimana : N = jumlah pukulan yang dibutuhkan untuk menutup goresan 0.5 in. w N = kadar air untuk menutup dasar goresan dari contoh tanah yang dibutuhkan pukulan sebanyak N tan β = (tidak semua tanah memiliki nilai tan β = 0.121)

39 BATAS PLASTIS (PLASTIC LIMIT) PL Batas plastis (PL) didefinisikan sbg kadar air pd kedudukan antara daerah plastis dan semi padat, yaitu % kadar air dimana tanah dgn diameter silinder 3,2 mm mulai retak2 ketika digulung Batas plastis dapat ditentukan dengan pengujian yang sederhana dengan cara menggulung sejumlah tanah dengan menggunakan tanah secara berulang menjadi bentuk ellipsoidal Kadar air contoh tanah yang mana tanah mulai retak-retak didefinisikan sebagai batas plastis Indeks plastisitas (plasticity Index) adalah perbedaan antara batas cair dan batas plastis suatu tanah atau PI LL PL

40 BATAS PLASTIS (PLASTIC LIMIT) PL Burmister (1949) mengklasifikasikan indeks plastisitas berdasarkan tabel DESKRIPSI INDEKS PLASTISITAS Non plasticity 0 Slighty plasticity 1-5 Low plasticity 5-10 Medium plasticity High plasticity Very High plasticity > 40 Indeks Cair (liquidity index) - LI didefinisikan sbg kadar air tanah asli relatif pada kedudukan plastis dan cair LI = w N PL LL PL = w N PL PI

41 BATAS SUSUT (SHRINKAGE LIMIT) SL Kadar air dimana perubahan volume suatu massa tanah berhenti Ketika kadar air pada tanah butiran halus berkurang di bawah batas plastis, penyusutan massa tanah berlanjut hingga batas susut tercapai

42 BATAS SUSUT (SHRINKAGE LIMIT) SL Uji batas susut (ASTM Test Designation D-427) dilakukan di laboratorium dengan menggunakan mangkok porcelin yang memiliki diameter 1.75 in ( 44,4 mm) dan tinggi kira-kira 0.5 in (12,7 mm). Batas susut ditentukan menurut gambar kurva adalah : SL w i(%) w(%) Dimana : w i w = kadar air tanah mula-mula pada saat ditempatkan dalam mangkok uji. = perubahan kadar air (antara kadar air mula-mula dan kadar air batas susut)

43 BATAS SUSUT (SHRINKAGE LIMIT) SL Sedangkan rumus kadar air mula-mula adalah w i (%) m m m Dimana : m i m 2 = massa tanah basah dalam mangkok(gram) = massa tanah kering (gram) Selain itu w(%) V i V m f 2 w 100 Dimana : V i = volume tanah basah saat permulaan pengujian/ volume mangkok (cm 3) V f = volume tanah kering ρ w = kerapatan air ( g/cm 3 ) SL m m V i V f 1 2 w m2 m2

44 Contoh soal Pengujian di laboratorium unutk menentukan batas konsistensi suatu tanah adalah sebagai berikut : Benda Uji Jumlah pukulan Berat tanah basah + cawan (gr) Berat tanah kering + cawan (gr) Berat cawan (gr) Tentukan batas cair (LL), indeks plastisitas (IP) dan indeks cair (LI) tanah tersebut. Diketahui tanah memiliki PL =20%, kadar air lapangan = w N = 38 %

45 Penyelesaian Hitung kadar air pada masing-masing contoh benda uji Benda uji 1 w = Benda uji 2 w = Benda uji 3 w = Benda uji 4 w = % = 44.38% % = 42.46% % = 40.60% % = 38.64% Hasil hitungan kadar air (w) dan jumlah pukulan di plotkan pada diagram batas cair. Dari gambar, pada pukulan ke 25 kali diperoleh kadar air (w) = 41 %. Jadi batas cair adalah LL = 41%

46 Penyelesaian Indeks plastisitas (PI)=LL-PL=41%-20 %=21% Indeks Cair LI = w N PL PI = = 0.857

47 STRUKTUR TANAH Struktur tanah adalah susunan geometrik butiran tanah yang dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain bentuk, ukuran dan komposisi mineral dari butiran tanah serta sifat dan komposisi dari air tanah Tanah dapat dikelompokkan dalam dua kelompok, yaitu tanah kohesif dan tak berkohesi (cohesionless soils). Single grained/butiran tunggal Struktur butir tunggal (a) lepas(loose) (b) padat (dense) Model dari susunan butiran yang bulat dan berukuran sama (a) susunan yang sangat lepas (e=0.91) <b> susunan yang sangat padat (e=0.35) honeycomb