Analisis Konsolidasi dengan PVD untuk Kondisi Axisymmetric dan Beberapa Metode Ekuivalensi Plane Strain Menggunakan Metode Elemen Hingga

Transkripsi

1 Jurnal Online Institut Teknologi Nasional Teknik Sipil Itenas ǀ No. x ǀ Vol. xx April 2015 Analisis Konsolidasi dengan PVD untuk Kondisi dan Beberapa Metode Ekuivalensi Plane Strain Menggunakan Metode Elemen Hingga SHERLY MEIWA 1, IKHYA 2, INDRA NOER HAMDHAN 2 1 Mahasiswa, Jururusan Teknik Sipil Institut Teknologi Nasional 2 Dosen, Jurusan Teknik Sipil Institut Teknologi Nasional meiwasherly@yahoo.com ABSTRAK Tanah lempung lunak memiliki penurunan cukup besar dan konsolidasi tanah berlangsung lama. Tanah lunak perlu dilakukan perbaikan tanah dan salah satunya PVD dengan preloading. Pengaruh pemasangan PVD dengan preloading dianalisis menggunakan PLAXIS 2D dengan axisymmetric untuk single-drain, dan untuk data yang lebih akurat dimodelkan dalam multi drain menggunakan plane strain. Pemodelan single drain menjadi multi drain perlu dilakukan ekuivalensi axisymmetric ke plane strain. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis metode ekuivalensi yang paling mendekati hasil axisymmetric dan pengukuran lapangan. Analisis menggunakan tiga metode yaitu metode, metode, dan metode. Metode adalah metode yang paling detail dalam pemodelan. Metode dan metode memiliki pemodelan lebih sederhana, namun lebih kompleks dibandingkan dalam perhitungannya. Berdasarkan analisis dalam berbagai variasi kondisi tanah dan PVD, metode memiliki hasil yang paling mendekati kondisi lapangan. Kata kunci : PVD, tanah lunak, konsolidasi, plane strain, PLAXIS 2D ABSTRACT Soft clay soil has large settlement and long term consolidation. Soft soil needs soil improvement and one of them is PVD method with preloading. The effect of PVD installation with preloading was analyzed by using PLAXIS 2D with axisymmteric model for single-drain, and plane strain model (multi-drain) for more accurate data. For modelling a single-drain becomes multi-drain needs equivalent of axisymmetric and plane strain. This study intends to analyze the closest equivalent method for axysymmetric result and field measurement. Analyzes were performed using three methods: method, method, and method. method is the most detail in modelling. and method have a simple model, but method is more complex than method in calculation. Based on the analysis in various soil conditions and PVD conditions, 's method has the closest result in field measurement. Keyword : PVD, soft soil, consolidation, plane strain, PLAXIS 2D Rekaracana - 1

2 Meiwa, Sherly., Ikhya., Hamdhan, Indra N. 1. LATAR BELAKANG Penurunan pada konstruksi teknik sipil akibat proses konsolidasi merupakan salah satu aspek utama dalam bidang geoteknik terutama pada lapisan tanah kohesif lunak. Umumnya lapisan tanah lunak terdiri atas sebagian besar butir-butir sangat kecil sehingga memiliki kemampatan besar dan koefisien permeabilitas yang kecil, sehingga akan menyebabkan kerusakan pada konstruksi jika pembebanan melampaui daya dukung kritis. Penanggulanan terhadap penurunan yang besar dan waktu penurunan yang lama pada tanah lempung lunak yang dibebani merupakan masalah yang harus diperhatikan karena tanah lunak memiliki kerapatan rongga yang rendah. Berdasarkan hal ini perlu diadakan perbaikan pada kondisi tanah kohesif lunak. Penurunan dapat direduksi dengan adanya pembebanan diawal konstruksi (preloading) serta dikombinasikan dengan PVD untuk mempercepat konsolidasi tanah. PVD memperpendek lintasan air pori dan mempercepat waktu terdisipasinya air pori dalam tanah sehingga proses konsolidasi dapat berlangsung cepat. Analisis konsolidasi ini dapat ditinjau menggunakan PLAXIS 2D dengan memodelkannya dalam bentuk single drain dan multi drain yang dimodelkan dalam axisymmetric dan plane strain. Pemodelan plane strain perlu dilakukan ekuivalensi menggunakan beberapa metode ekuivalensi plane strain. Tugas akhir ini akan menganalisis tiga metode ekuivalensi yaitu metode,, dan yang dipilih karena perbedaan yang cukup besar dalam menentukan koefisien permeabilitas dan pemodelan efek smear zone. 2. TINJAUAN PUSTAKA Tanah lempung lunak merupakan salah satu tanah kohesif yang memiki ukuran butir halus lebih kecil dari 2 mm, permeabilitas rendah, kenaikan air kapiler tinggi, kompressibilitas tinggi sehingga proses konsolidasi berlangsung lambat (Hardiyatmo, 1992). Karena itu pada bangunan di atas tanah lempung besar kemungkinan akan terjadi penurunan jika tidak segera dilakukan perbaikan tanah. PVD (Prefabricated Vertical Drain) merupakan saluran yang dibuat vertikal yang berfungsi untuk memperpendek lintasan air pori dan mempercepat terdisipasinya air pori dalam tanah. Akibatnya, air akan mengalir arah horizontal didalam tanah sehingga konsolidasi arah horizontal/radial menjadi sangat dominan, hal ini akan mempersingkat waktu untuk proses konsolidasi. Untuk mengurangi penurunan tanah akibat konsolidasi saat pembangunan konstruksi, maka pemakaian PVD ini umumnya disertai dengan surcharging, yaitu pemberian beban preloading yang besarnya melebihi beban akhir pasca konstruksi (Hausmann, 1990). Metode elemen hingga adalah prosedur numerik untuk memperoleh solusi permasalahan yang ditemukan dalam analisa teknik menggunakan pendekatan diskretisasi elemen (Heru, 2000). Dikritisasi adalah proses pemodelan dari struktur/objek dengan membaginya dalam sejumlah elemen kecil (elemen hingga) yang terhubung dalam titik simpul (nodes) yang digunakan oleh sejumlah elemen tersebut sebagai batas dari struktur atau objek. Dalam metode elemen hingga persamaan dan seluruh sistem dibentuk dari penggabungan persamaan elemen-elemennya. PLAXIS merupakan software dengan menggunakan metode elemen hingga yang digunakan secara khusus untuk berbagai permasalahan geoteknik seperti analisis perilaku tanah dan konsolidasi yang terjadi. Pemodelan PVD pada plane strain pada PLAXIS dimodelkan menggunakan tiga metode yang masing-masing memiliki perbedaan dalam menentukan koefisien permeabilitas dan pemodelan geometrinya. Rekaracana-2

3 Analisis Konsolidasi dengan PVD untuk Kondisi dan Beberapa Metode Ekuivalensi Plane Strain Menggunakan Metode Elemen Hingga Metode merupakan metode yang cukup sederhana karena menggambarkan titik-titik PVD namun tidak menggambarkan zona smear effect sehingga perlu dilakukan penyesuaian pendekatan permeabilitas. menetapkan koefisien permeabilitas horizontal yang mewakili zona smear dan tanpa smear (Metode 1). Metode yang merupakan model yang paling kompleks karena ketelitian dengan dinding drain paralel yakni dengan memodelkan PVD dan zona smear effect (Metode 2). Metode ini memisahkan masing-masing zona smear dan tanpa smear dengan membedakan nilai koefisien permeabilitas horizontalnya. mengadopsi metode untuk perhitungan permeabilitas kondisi tanpa smear effect. Metode merupakan model yang paling sederhana dengan tidak menggambarkan titik PVD dan zona smear effect (Metode 3). Metode ini mengasumsikan bahwa efek PVD dalam meningkatkan kemampuan lapisan tanah dapat dianalisis dengan cara yang sama seperti kasus tanah tidak menggunakan PVD. menetapkan nilai konduktivitas hidraulik vertikal yang mewakili kedua pengaruh drainase yaitu dalam arah vertikal dan horizontal. juga menggabungkan pengaruh zona smear dan tanpa smear dalam koefisiennya. Perbedaan dalam menentukan ekuivalensi koefisian permeabilitas axisymmetric ke plane srain ketiga metode ini dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Rumus Ekuivalensi Koefisien Permeabilitas ke Plane Strain Metode Tanpa Smear Effect Smear Effect Referensi 1 [ ( ) ] [ ( ) ( ) ( ) ] et al. (1992) [ ( ) ( ) ( ) ] 2 [ ( ) ] ( ) ( ) et al. (2005) ( )[ ( ) ( )] ( ) 3 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) et al. (2001) Rekaracana-3

4 Meiwa, Sherly., Ikhya., Hamdhan, Indra N. 3. METODE PENELITIAN Tahapan penelitian yang dilakukan pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Mengidentifikasi masalah yang dikaji 2. Melakukan studi literatur berkaitan dengan metode-metode mengenai masalah yang akan dianalisis. 3. Menentukan parameter tanah dan PVD yang akan digunakan dalam pemodelan menggunakan PLAXIS 2D. 4. Melakukan pemodelan geometri dengan finite elemen mesh menggunakan PLAXIS 2D 5. Melakukan proses running pada PLAXIS 2D untuk menghitung penurunan, waktu konsolidasi, dan tegangan pori. 6. Menganalisis hasil yang diperoleh Selanjutnya pemodelan dilakukan menggunakan program PLAXIS 2D dan akan diperoleh hasil berupa nilai penurunan, waktu konsolidasi, dan besar tegangan pori yang dialami tanah pada setiap model plane strain. Selanjutnya perbedaan nilai yang dianalisis disimpulkan metode plane strain mana yang paling mendekati kondisi axisymmetric. 4. PEMODELAN DAN ANALISIS Batasan yang digunakan dalam pemodelan ini adalah : 1. Tanah merupakan tanah 1 lapis dan tanah 2 lapis 2. Beban yang terjadi berupa beban seketika 3. Pemodelan single drain dilakukan dalam kondisi PVD dengan smear dan tanpa smear 4. Kondisi aliran single drainage dan double drainage Soil model yang digunakan merupakan model Hardening Soil. Parameter tanah dan parameter PVD berdasarkan data pada proyek PLTU Cirebon (Ikhya dan Schweiger, 2012) dapat dilihat pada Tabel 2 sampai Tabel 4. Tabel 2. Daftar Parameter Tanah Jenis Tanah Ketebalan γ sat /γ unsat = m (power) c ref m - Sangat Lunak 6/12 15/ ,9 12 Medium 6/12 17/ ,7 1 Timbunan 4 18/ ,5 10 Tabel 3. Daftar Parameter Tanah (Lanjutan) Jenis Tanah φ' v P ef Rf kh=kv m/s Sangat Lunak 24 0, ,59 0,9 1,90E-09 Medium 28 0, ,53 0,9 5,00E-09 Timbunan 30 0, ,5 0,9 1,00E-07 Rekaracana-4

5 Analisis Konsolidasi dengan PVD untuk Kondisi dan Beberapa Metode Ekuivalensi Plane Strain Menggunakan Metode Elemen Hingga Tabel 4. Daftar Parameter PVD Jenis Ukuran Dimensi PVD : 100 mm x 4 mm Jarak antar PVD (s) : 1,5 m Kedalaman instalasi : 12 m Diameter mandrel (d m ) : 120 mm Jarak efektif (d e ) : 1,575 m Diameter PVD ekuivalen (d w ) : 66,2 mm Diameter daerah smear (d s ) : 360 mm kh/ks : 2 Pemodelan geometri dilakukan dalam single drain dengan model axisymmetric dan plane strain dapat dilihat pada Gambar 1. Empat bentuk pemodelan dengan dilakukan 2 jenis tanah sebagai berikut : 1. Model I :Pemodelan tanah sangat lunak (1 lapis) 2. Model II :Pemodelan tanah 1 lapis medium lunak (1 lapis) 3. Model III :Pemodelan tanah berlapis dengan tanah sangat lunak di lapisan atas dan tanah medium lunak di lapisan bawah (2 lapis) 4. Model IV :Pemodelan tanah berlapis dengan tanah medium lunak di lapisan atas dan tanah sangat lunak di lapisan bawah (2 lapis) Gambar 1. Geometri Pemodelan dan Plane Strain Pemodelan untuk berbagai kondisi tanah dan PVD akan menggunakan mesh jenis sangat halus dengan jumlah 1480 elemen. Hasil perhitungan dapat dilihat pada Gambar 2 sampai dengan Gambar 5 berikut : Rekaracana-5

6 (m) Meiwa, Sherly., Ikhya., Hamdhan, Indra N ,000.0 Tanah 1 Lapis Sangat Lunak Kondisi Only PVD dan Double Drainage & Tanah 1 Lapis Sangat Lunak Kondisi PVD+smear dan Double Drainage ,000.0 Tanah 1 Lapis Sangat Lunak Kondisi Only PVD dan Single Drainage ,000.0 & Tanah 1 Lapis Sangat Lunak Kondisi PVD+smear dan Single Drainage ,000.0 Gambar 2. Hasil Analisis Penurunan Tanah Model I Tanah 1 Lapis Medium Lunak Kondisi Only PVD dan Double Drainage & Tanah 1 Lapis Medium Lunak Kondisi Only PVD dan Single Drainage ,000.0 & Rekaracana-6

7 Dearajat Konsolidasi Dearajat Konsolidasi Dearajat Konsolidasi Analisis Konsolidasi dengan PVD untuk Kondisi dan Beberapa Metode Ekuivalensi Plane Strain Menggunakan Metode Elemen Hingga Tanah 1 Lapis Medium Lunak Kondisi PVD+smear dan Double Drainage Tanah 1 Lapis Medium Lunak Kondisi PVD+smear dan Single Drainage Gambar 3. Hasil Analisis Penurunan Tanah Model II Tanah 2 Lapis dengan Lapisan Tanah Sangat Lunak di Atas dan Tanah Medium Lunak di Bawahnya, Kondisi Only PVD dan Double Drainage & Tanah 2 Lapis dengan Lapisan Tanah Sangat Lunak di Atas dan Tanah Medium Lunak di Bawahnya, Kondisi Only PVD dan Double Drainage & Tanah 2 Lapis dengan Lapisan Tanah Sangat Lunak di Atas dan Tanah Medium Lunak di Bawahnya, Kondisi PVD +smear dan Double Drainage Tanah 2 Lapis dengan Lapisan Tanah Sangat Lunak di Atas dan Tanah Medium Lunak di Bawahnya, Kondisi PVD +smear dan Single Drainage Gambar 4. Hasil Analisis Penurunan Tanah Model III Rekaracana-7

8 Meiwa, Sherly., Ikhya., Hamdhan, Indra N. Tanah 2 Lapis pada dengan Lapisan Tanah Medium Lunak di Atas dan Tanah Sangat Lunak di Bawahnya, Kondisi Only PVD dan Double Drainage & Tanah 2 Lapis dengan Lapisan Tanah Medium Lunak di Atas dan Tanah Sangat Lunak di Bawahnya, Kondisi PVD+smear dan Double Drainage Tanah 2 Lapis pada dengan Lapisan Tanah Medium Lunak di Atas dan Tanah Sangat Lunak di Bawahnya, Kondisi Only PVD dan Single Drainage & Tanah 2 Lapis dengan Lapisan Tanah Medium Lunak di Atas dan Tanah Sangat Lunak di Bawahnya, Kondisi PVD+smear dan Single Drainage 10,000.0 Gambar 5. Hasil Analisis Penurunan Tanah Model IV Berdasarkan Gambar 2 sampai dengan Gambar 5 terlihat bahwa metode dengan kondisi aliran single drainage memiliki selisih perbedaan waktu yang jauh lebih besar karena mengasumsikan aliran air tanah hanya pada arah vertikal sehingga kondisi aliran PVD sangat berpengaruh terhadap analisisnya. Tanah 1 lapis dan tanah 2 lapis pada kondisi tanpa smear pada metode - memiliki hasil yang lebih mendekati axisymmetric dibandingkan metode karena memiliki pemodelan lebih detail dengan memodelkan titik PVD. Metode tidak memodelkan PVD dalam pemodelannya, bentuk garis grafik penurunan cenderung melengkung tajam mengikuti saat pemberian beban. Hal ini dapat dilihat pada analisis tanah 1 lapis medium lunak dan tanah 2 lapis dimana metode terdapat lengkungan tajam pada hari ke 1 saat pemberian beban. Kondisi tanah 1 lapis dan tanah 2 lapis pada kondisi dengan smear, metode memiliki hasil yang paling mendekati axisymmetric karena metode ini selain memodelkan titik PVD juga memodelkan zona smear dalam pemodelannya sehingga pemodelannya lebih detail dan hasil analisis lebih akurat. Metode walaupun tidak memodelkan zona smear tetapi memiliki hasil analisis yang cukup mendekati axisymmetric. Rekaracana-8

9 Analisis Konsolidasi dengan PVD untuk Kondisi dan Beberapa Metode Ekuivalensi Plane Strain Menggunakan Metode Elemen Hingga 5. STUDI KASUS Studi kasus dari penelitian ini merupakan proyek reklamasi PLTU Cirebon. Lokasi PLTU Cirebon berada di pesisir utara pulau Jawa dengan ketinggian +0,5 m dari permukaan air laut. Pasang surut air laut disekitar wilayah ini berkisar 0,5m -1,3 m. Lokasi ini berada pada area daerah tanah lunak Indonesia ( Gambar 6 ), oleh sebab itu reklamasi dilakukan untuk memperbaiki keadaan tanah di sekitar pantai dan menjaga agar tetap kering serta terhindar dari bahaya banjir. Upaya yang dilakukan adalah meninggikan elevasi pantai hingga ketinggian 2,5 m dari permukaan air laut. Ketebalan timbunan rata-rata 4 m dengan 1 m merupakan lapisan permukaan pasir, 2 m timbunan, dan 1 m lapisan permukaan tambahan. Gambar 6. Area Tanah Lunak di Indonesia dan Lokasi PLTU Cirebon Kondisi tanah berupa tanah sangat lunak dengan ketebalan 6 m, dibawahnya merupakan tanah medium lunak dengan ketebalan 6 m. untuk mempercepat konsolidasi pada 12 m tanah lunak dipasang PVD dan dikombinasikan dengan 4 m timbunan di atasnya (preloading). PVD dipasang sedalam 12 m hingga mencapai lapisan tanah keras dengan jarak pemasangan 1,5 m menggunakan pola triangular. Studi kasus yang akan dilakukan adalah pemodelan kondisi eksisting dengan dua lapisan tanah lunak menggunakan hardening soil model dengan 3 metode ekuivalensi plane strain yaitu metode, metode, dan metode. Pemodelan ini bertujuan untuk mengetahui metode yang paling mendekati pada program PLAXIS 2D dengan pengukuran di lapangan. Jumlah elemen yang akan diperhitungkan pada kondisi ini sebanyak 1138 elemen. Pemodelan geometri kondisi eksisting ini akan dilakukan dengan menggunakan bentuk multi drain dalam model plane strain seperti tampak pada gambar 7. Jumlah elemen yang akan diperhitungkan pada kondisi ini sebanyak 1138 elemen. Rekaracana-9

10 Meiwa, Sherly., Ikhya., Hamdhan, Indra N. Gambar 7. Pemodelan Plane Strain pada Finite Element Mesh Adapun tahapan perhitungan dalam PLAXIS 2D terdiri atas 20 phase seperti pada Tabel 4. Pada tahapan ini, besar penurunan dan waktu penurunan dihitung. Tabel 4. Tahapan Pemasangan PVD dan Preloading No. Tahap Pekerjaan 1 Innitial Condition - 2 Selimut Pasir 0.5 m 2 3 Konsolidasi 2 4 Selimut Pasir 0.5 m 1 5 Konsolidasi 5 6 Pemasangan PVD 3 7 Konsolidasi 2 8 Timbunan 0.15 m 1 9 Timbunan 0.3 m 1 10 Timbunan 0.55 m 1 11 Konsolidasi 3 12 Timbunan 0.25 m 1 13 Konsolidasi 1 14 Timbunan 0.25 m 1 15 Konsolidasi 8 16 Timbunan 0.5 m 1 17 Konsolidasi 7 18 Surcharge 1 m 1 19 Consolidasi 119 hari Konsolidasi Final Minimum Excess Pore Pressure - Berdasarkan pemodelan eksisting dan tahapan pemasangan PVD, proses running ketiga metode ekuivalensi plane strain di atas dilakukan dalam PLAXIS 2D. Hasil analisis penurunan yang diperoleh akan dibandingkan dengan pengukuran di lapangan. Perbandingan tersebut dapat dilihat pada Gambar 8 yang menunjukkan grafik penurunan hasil analisis metode ekuivalnesi plane strain dan hasil pengukuran di lapangan. Rekaracana-10

11 Penurunan (m) Analisis Konsolidasi dengan PVD untuk Kondisi dan Beberapa Metode Ekuivalensi Plane Strain Menggunakan Metode Elemen Hingga Field measurement Gambar 8. Grafik Penurunan VS Waktu Konsolidasi Tanah Berdasarkan Gambar 8, terlihat bahwa metode memiliki pendekatan hasil analisis lebih baik dibandingkan metode dan. Hal ini karena memodelkan plane strain lebih detail sehingga menghasilkan analisis penurunan lebih akurat dibandingkan kedua metode lainnya. 6. KESIMPULAN Berdasarkan analisis yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa : 1. Metode memiliki hasil yang paling mendekati axisymmetric terutama pada kondisi PVD dengan smear zone. Dibandingkan metode dan metode, Metode ini lebih kompleks dalam pemodelan dan hasil analisisnya paling akurat pada berbagai variasi kondisi tanah, kondisi aliran drainase, serta kondisi PVD. 2. Metode cukup mendekati analisis axisymmetric dibandingkan hasil. Hal ini berlaku pada berbagai variasi kondisi tanah, kondisi PVD, dan kondisi aliran drainase. Pemodelan cukup sederhana karena hanya memodelkan titik PVD saja. 3. Metode memiliki kelemahan dalam analisis PVD pada kondisi aliran single drainage karena hasil analisis cenderung menunjukkan perbedaan yang cukup besar terhadap axisymmetric. Hal ini disebabkan pemodelan menggunakan input nilai konstanta yang tidak dapat ditentukan berdasarkan kondisi tanah. Nilai konstanta cf ini diperoleh dengan metode back calculation dan perlu perhitungan ulang nilai cf untuk setiap kondisi lapisan tanah dan kondisi aliran drainase. Pemodelan sangat sederhana dengan mempersingkat waktu pemodelan dan proses running pada PLAXIS, tetapi perhitungan nilai koefisien permeabilitas dengan input nilai konstanta cf cukup menghabiskan waktu. 4. PVD dengan mempertimbangkan smear zone pada studi kasus kondisi multi drain memiliki hasil analisis yang paling mendekati pengukuran di lapangan, jika dibandingkan dengan analisis PVD tanpa smear zone. Pada kondisi ini terlihat metode memiliki hasil analisis yang paling mendekati pengukuran lapangan dengan selisih persentase paling kecil. Rekaracana-11

12 Meiwa, Sherly., Ikhya., Hamdhan, Indra N. DAFTAR RUJUKAN, J.C., Shen, S.L., Miura, N., Bergado, D.T. (2001). A simple method of modeling PVD improved subsoil. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 127 (11), Hardiyatmo, H. C. (1992). Mekanika Tanah I. PT. Gramedia Pustaka Utama. Jakarta. Hausmann, M. R. (1990). Engineering principles of ground modification. McGraw-Hill., McGraw-Hill Publishing Company. Heru, S. (2000). Aplikasi Metode Elemen Hingga untuk Analisa Struktur Statik Linier dengan Program MSC/Nastran. Makalah. Universitas Negri Malang., C.C., Pyrah, I.C., and Russell, D. (1992). Finite element modelling of vertical drains beneath embankments on soft ground. Geotechnique, 42 (3), Ikhya, Ikhya. and Schweiger, H. F (2012). Numerical Modeling of Floating Prefabricated Vertical Drains in Layered Soil. Acta Geotechnica Slovenica. Graz University of Technology (TU Graz), Austria., B., Sathananthan, I., Rujikiatkamjom, C., Balasubramaniam, A. S. (2005). Analytical and Numerical Modelling of Soft Soil Stabilized by Prefabricated Vertical Drains Incorporating Vacuum Preloading. Internatioanl Journal of Geomechanics, ASCE, 5(2): Rekaracana-12