PENGARUH VARIASI KADAR AIR TERHADAP DAYA DUKUNG PONDASI TIANG TYPE FRICTION PILE PADA TANAH EKSPANSIF Imam Alwan 1 & Indarto 2 1 Mahasiswa Program Pascasarjana Bidang Keahlian Geoteknik Jurusan Teknik Sipil, FTSP, ITS, Kampus ITS Sukolilo Surabaya, email: bajang_imam@yahoo.com 2 Guru Besar pada Jurusan Teknik Sipi, FTSP, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Kampus ITS Sukolilo Surabaya, email: indarto@ce. its.ac.id Variasi kadar air dalam tanah terus menerus terjadi sepanjang tahun seiring dengan pergantian musim. Dalam perspektif mekanika tanah akibat adanya variasi kadar air tersebut, telah mengakibatkan adanya variasi parameter tanah serta variasi kelakuan tegangan dari tanah. Variasi parameter dan tegangan tanah tersebut tentunya akan memberikan pengaruh pada struktur pondasi atau struktur lain yang memiliki interaksi langsung dengan tanah atau hal-hal yang berkaitan dengan struktur geoteknik. Oleh karena itu, penelitian ini dirancang untuk mempelajari bagaimana pengaruh variasi kadar air terhadap parameter tanah, yang pada akhirnya berpengaruh terhadap daya dukung pondasi friction pile, khususnya pada tanah ekspansif. Penelitian ini dilakukan dengan membuat model tiang type friction pile skala laboratorium yang dipasang pada tanah dengan berbagai variasi kadar air. Model tiang tersebut kemudian di uji daya dukungnya dengan pengujian pembebanan (loading test). Untuk menunjang pemodelan laboratorium, dilakukan juga simulasi numerik terhadap model pondasi tiang skala lapangan dengan software Plaxis 3D. Hasil penelitian menunjukkan bahwa variasi kadar air, sangat mempengaruhi parameter tanah, baik parameter fisik maupun mekanik tanah. Akibat dari perubahan parameter tanah tersebut, daya dukung pondasi juga berubah. Pemodelan laboratorium membuktikan bahwa, ketika kadar air berkurang melalui proses pengeringan, daya dukung tiang mengalami peningkatan. Sebaliknya, bertambahnya ketika kadar air akan menurunkan daya dukung tiang. Ketika terjadi pembasahan hingga kadar air mendekati jenuh (Sr 1%) daya dukung pondasi tiang masih relatif tinggi. Namun, pembasahan secara terus-menerus meskipun tanah telah jenuh, daya dukung tiang berangsur-angsur menurun. Besarnya penurunan tergantung dari tingkat pembasahan tanah. Selain itu, penurunan daya dukung juga dipengaruhi oleh panjang tiang yang berada pada tanah yang mengalami pembasahan. Kata kunci: Variasi kadar air, daya dukung friction pile, tanah ekspansif 1. PENDAHULUAN Variasi kadar air dalam tanah dapat terjadi karena adanya perubahan musim kemarau, ataupun musim penghujan. Pada tanah lunak atau pada tanah dimana muka air tanah tidak terlalu dalam, kondisi tersebut dapat menyebabkan variasi muka air tanah akibat adanya pasang surut yang sering juga disebut zona aktif. Pada tanah ekspansif, dimana muka air tanah terletak pada kedalaman yang jauh dari permukaan, kondisi variasi kadar air akibat adanya musim kemarau dan hujan dapat mengakibatkan kembang susut atau variasi volume pada tanah, yang juga dibatasi oleh apa yang dinamakan zone aktif. Dalam perspektif mekanika tanah, akibat adanya variasi kadar air tersebut telah mengakibatkan adanya variasi parameter tanah serta variasi kelakuan tegangan dari tanah. Variasi parameter dan tegangan tanah ini akan memberikan pengaruh pada struktur pondasi atau struktur lain yang memiliki interaksi dengan tanah atau hal-hal yang berkaitan dengan struktur geoteknik (Indarto, 29).
Imam Alwan Sanglerat (1987) dan Logeais (1971) mengelompokkan faktor-faktor dominan yang mempengaruhi kegagalan struktur pondasi. Menurut Sanglerat dan Logeais, Salah satu penyebab kegagalan pondasi adalah perubahan sifat tanah akibat perubahan kadar air, khususnya pada lempung. Kerusakan yang diakibatkan oleh kegagalan pondasi menyebabkan kerugian yang sangat besar bahkan bisa melebihi bencana alam yang lain. Misalnya, di Amerika tercatat bahwa akibat dari kembang susut tanah ekspansif telah menyebabkan kerusakan pondasi dan bangunan senilai US 2,3 milyar per tahun. Nilai tersebut lebih besar dari 2 (dua) kali biaya tahunan yang dikeluarkan pemerintah akibat bencana banjir, tornado dan gempa bumi (Jones & Holtz, 1973). Selain itu, masih banyak kasus kerusakan pondasi akibat keberadaan air yang tercatat dan berhasil dipublikasikan. Sayangnya, di Indonesia sedikit sekali kasus yang terekam apalagi di publikasikan (Indarto, 28). Berdasarkan ulasan di atas, sudah saatnya pengaruh variasi kadar air menjadi perhatian yang serius dalam mendesain suatu pondasi. Oleh karena itu, penelitian ini dirancang untuk mempelajari bagaimana pengaruh variasi kadar air terhadap daya dukung pondasi tiang, khususnya friction pile pada tanah ekspansif. Penelitian ini dilakukan dengan membuat pemodelan tiang type friction pile skala laboratorium. Model tiang tersebut dipasang pada tanah dengan berbagai macam variasi kadar air kemudian dilakukan pengujian pembebanan (loading test). Bersamaan dengan itu, dilakukan juga penelitian bagaimana pengaruh variasi kadar air terhadap parameter fisik maupun mekanik tanah (kohesi), karena seperti yang kita ketahui bersama bahwa daya dukung friction pile merupakan fungsi langsung dari kohesi tanah. Untuk menunjang hasil penelitian, dilakukan juga simulasi numerik dengan software Plaxis 3D untuk memodelkan pondasi tiang skala lapangan. 2. DASAR TEORI Zona Aktif Zona aktif merupakan zona yang dipengaruhi oleh pergantian musim. Zona aktif terbentuk melalui proses infiltrasi air hujan dan penguapan, sebagai dampak dari pergantian musim yang datang silih berganti. Gambar 1 memperlihatkan terbentuknya zona aktif pada tanah lunak dan pada tanah ekspansif. Kadar air, w Depth, h M a t Zona aktif Depth, h Seasonal variation Zona aktif equilibrium (a) (b) Gambar 1 Zona Aktif pada Tanah Lunak (a) dan Zona Aktif pada Tanah Ekspansif (b) Daya Dukung Pondasi Tiang Pengujian pembebanan (loading test) adalah salah satu pengujian lapangan yang paling diyakini memberikan gambaran daya dukung yang sesungguhnya di lapangan (Coduto, 1994). Pengujian pembebanan dilakukan dengan membebani tiang dengan beban
Pengaruh Variasi Kadar Air Terhadap Daya Dukung Pondasi Tiang Type Friction Pile Pada Tanah Ekspansif tertentu dan dicatat penurunan yang terjadi. Hasil dari pengujian ini adalah kurva korelasi antara beban aksial yang diterapkan dan penurunan yang terjadi atau kurva loading test. Dari kurva tersebut kemudian ditentukan beban ultimit suatu tiang. Terdapat berbagai metode untuk penentuan daya dukung ultimit berdasarkan kurva loading test. Metode-metode yang telah dikembangkan antara lain Metode Terzaghi (1942), Civil Engineering Code No. 4 tahun 1954, Metode Fellenius (198), AASHTO dan Davison s (1973). Namun, metode yang paling popular dan sering digunakan adalah metode yang dikembangkan oleh Terzaghi (1942) yang menganggap daya dukung ultimit adalah beban aksial yang menyebabkan penurunan sebesar 1% dari diameter tiang (Poulos dan Davis, 198). 3. METODOLOGI Penelitian ini direncanakan menjadi 2 (dua) bagian yaitu pemodelan skala laboratorium dan skala lapangan. Pemodelan laboratorium dilakukan dengan membuat model tiang pada berbagai variasi kadar air, kemudian di bebani untuk mengetahui daya dukungnya. Sketsa pemodelan laboratorium ditampilkan pada Gambar 2. Bersamaan dengan itu, dilakukan juga pengujian karakteristik fisik, mekanik dan tegangan air pori negatif tanah pada berbagai variasi kadar air, untuk memberikan gambaran bagaimana pengaruh variasi kadar air terhadap variasi parameter tanah. Disamping itu, hasil dari pengujian ini juga dimaksudkan sebagai data masukan pemodelan dengan software Plaxis 3D. Loading Ring Model Tiang Ø6 mm Tiang rangka (frame) Contoh Tanah Pipa PVC Ø 4 Inc 4cm Displacement Gauge Pengatur kecepatan Power Engkol Gambar 2 Sketsa Pemodelan Laboratorium untuk Menguji Daya Dukung Friction Pile pada Berbagai Variasi Kadar Air
Imam Alwan Untuk menunjang hasil penelitian, dilakukan juga simulasi numerik dengan bantuan software Plaxis 3D. Simulasi numerik dilakukan dengan memodelkan suatu pondasi tiang tunggal pada tanah ekspansif. Model tiang yang digunakan adalah tiang beton dengan panjang 1 m dan berdiameter 4 mm. Simulasi numerik dilakukan dengan asumsi sebagian tiang berada pada tanah yang mengalami pembasahan. Tebal lapisan tanah yang mengalami pembasahan dibuat bervariasi dan dimodelkan sedemikian rupa sehingga panjang tiang yang berada pada lapisan tanah yang mengalami pembasahan yaitu 1 m, 2 m, 3 m, dan 4 m. Pembasahan ditentukan menjadi enam tingkatan. Lapisan tanah dianggap homogen dan data tanah disesuaikan dengan data tanah hasil pengujian kondisi asli di lapangan. 4. HASIL DAN DISKUSI Pengaruh Variasi Kadar Air Terhadap Parameter Tanah Keberadaan air yang mengisi rongga pori pada tanah, akan memberikan dampak yang besar pada tanah, khususnya pada tanah yang memiliki sifat kembang-susut yang besar seperti pada tanah ekspansif. Pada tanah ekspansif, infiltrasi air yang mengisi rongga pori akan menyebabkan swelling yang diinterpretasikan melalui membesarnya angka pori. Karena terjadi swelling, peningkatan kadar air masih bisa terjadi meskipun tanah telah mencapai kondisi jenuh. Sebaliknya, ketika kadar air dikurangi, angka pori tanah akan mengecil sehingga volume tanah juga akan menyusut. Selain itu, variasi kadar air juga mempengaruhi tekanan air pori negatif. Korelasi antara kadar air, derajat kejenuhan, angka pori dan tegangan air pori negative disajikan dalam Gambar 3. Fenomena naik-turunnya tegangan air pori negatif akibat variasi kadar air, tidak terlepas dari evolusi volume pori, yang tercermin dari nilai angka pori tanah. Jensen dan Dempsey (198) mengungkapkan bahwa, besarnya tegangan air pori negatif merupakan fungsi dari diameter meniscus yang mengisi rongga pori. Semakin kecil angka pori suatu tanah maka diameter meniscus yang terbentuk juga akan semakin kecil. Akibatnya, tinggi air kapiler (h c ) akan meningkat. Kenyataan ini terlihat jelas dari formula untuk menentukan tinggi air kapiler (h c ), dimana hc = 2Ts/( w.g.rs). Ts adalah tegangan permukaan air dan Rs adalah jari-jari meniscus. Meningkatnya tinggi kapilaritas (h c ) inilah yang menyebabkan tegangan air pori negatif (-u w ) meningkat, karena besarnya tegangan air pori negatif berbanding lurus dengan tinggi kapilaritas (u w = - w.g.h c ). Meningkatnya tegangan air pori negatif berarti pula meningkatnya tegangan efektif tanah. Senada dengan Jansen dan Dempsey (198), Indarto (29) juga berpendapat bahwa tegangan air pori negatif pada suatu benda uji tanah, akan diterjemahkan secara simultan oleh variasi angka pori, derajat kejenuhan dan kadar airnya. Terlihat pada Gambar 3a ketika kadar air terus meningkat, derajat kejenuhan juga meningkat hingga tanah mencapai kondisi jenuh (Sr=1%). Meskipun telah mencapai jenuh sempurna, angka pori terus membesar (Gambar 3b). Dari uraian sebelumnya, diketahui bahwa membesarnya angka pori akan mengakibatkan butiran-butiran tanah akan merenggang satu sama lainnya sehingga jari-jari meniscus yang terbentuk akan membesar. Akibatnya, tegangan air pori negatif menjadi lebih kecil. Mengecilnya tegangan air pori negatif setelah adanya penambahan kadar air terlihat dengan jelas pada Gambar 3c. Hal yang sama juga ditunjukkan oleh Gambar 3d dimana membesarnya angka pori pada tanah akan menurunkan nilai tegangan air pori negatifnya.
Pengaruh Variasi Kadar Air Terhadap Daya Dukung Pondasi Tiang Type Friction Pile Pada Tanah Ekspansif 1 1 9 9 a 1 9 8 7 6 5 4 3 2 Water Content, w (%) 1 8 7 6 5 4 3 2 1 Degree of Saturation, Sr (%) 8 7 6 5 4 3 2 1.4.8 1.2 1.6 2. 2.4 2.8 Angka Pori, e b 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 1.4.8 1.2 1.6 2. 2.4 2.8 1 1 1 1 1 Suction, -u w (KPa) 1 1 1 c 1 1 Gambar 3 Korelasi Antara Kadar Air, Derajat Kejenuhan, Angka Pori dan Tegangan Air Pori Negatif (Suction) Selain mempengaruhi sifat fisik dan tegangan air pori negatif, variasi kadar air juga berpengaruh terhadap parameter kuat geser tanah lempung (kohesi). Hasil pengujian kuat geser (UCS & Vane Shear Test) pada benda uji dengan berbagai variasi kadar air, menunjukkan adanya korelasi langsung antara kadar air dan nilai kohesi tanah. Kurva korelasi antara kadar air, derajat kejenuhan dan kohesi disajikan dalam Gambar 4. Gambar 4a adalah kurva hubungan antara kadar air dengan kohesi undrained hasil pengujian kuat geser pada benda uji yang telah dikondisikan mengalami pengeringan dan pembasahan. Secara umum, peningkatan kadar air dalam tanah akan menurunkan kuat geser tanah tersebut. Hal ini disebabkan karena ketika kadar air meningkat, maka rongga-rongga pori tanah akan terisi oleh air yang mengakibatkan jarak antara butiran tanah menjadi lebih besar. Selain itu, semakin tinggi kadar air maka nilai tegangan air pori negatif akan semakin kecil, sehingga kuat geser tanah menurun. 1 1 d
Imam Alwan 5 45 5 45 1 9 8 7 6 5 4 3 2 Kadar Air, w (%) 1 a Gambar 4 Korelasi Antara Kadar Air, Kohesi dan Derajat Kejenuhan 4 35 3 25 2 15 1 5 Kohesi Undrained, Cu (kpa) Pada awal pembasahan di mana tanah masih dalam kondisi tidak jenuh hingga tanah benar-benar dalam kondisi jenuh sempurna, kohesi tanah masih relatif tinggi. Terlihat pada Gambar 4b, nilai kohesi ketika tanah mencapai kondisi jenuh adalah sekitar 5 KPa. Namun, apabila proses pembasahan terus berlanjut meskipun tanah telah mencapai kondisi jenuh, nilai kohesi berangsur-angsur akan menurun, seperti yang terlihat pada Gambar 5. 4 35 3 25 2 15 1 5 b 6 65 7 75 8 85 9 95 1 Derajat Kejenuhan, Sr (%) 7 7 6 5 4 3 2 1 Kohesi Undrained, Cu (kpa) 6 5 4 3 2 1 1 9 8 7 6 5 a 4 b 9 92 94 96 98 1 Kadar Air, w (%) Derajat Kejenuhan, Sr (%) Gambar 5 Korelasi Antara Kadar Air, Kohesi dan Derajat Kejenuhan Setelah Tanah Mencapai Kondisi Jenuh
Pengaruh Variasi Kadar Air Terhadap Daya Dukung Pondasi Tiang Type Friction Pile Pada Tanah Ekspansif Gambar 5a adalah kurva hubungan antara kadar air dan kohesi undrained tanah, sedangkan Gambar 5b adalah kurva hubungan antara derajat kejenuhan dan kohesi undrained. Terlihat pada Gambar 5a ketika kadar air sekitar 54% kohesi tanah masih relatif tinggi yaitu sekitar 5 KPa. Jika dihubungkan dengan derajat kejenuhan (Gambar 5b), maka pada kondisi tersebut tanah telah mencapai jenuh sempurna (Sr=1%). Apabila pembasahan terus dilakukan, meskipun tanah telah jenuh, terlihat pada Gambar 5b nilai kohesi turun drastis hingga sekitar 6 KPa pada kadar air sekitar 86%. Kendati demikian, tidak semua jenis tanah memiliki karakteristik seperti tanah ekspansif yang meskipun telah mencapai derajat kejenuhan 1%, masih memungkinkan terjadinya peningkatan kadar air. Peningkatan kadar air pada tanah setelah tanah mencapai jenuh, semata-mata terjadi karena fenomena swelling, dan swelling hanya terjadi pada tanah yang mengandung mineral montmorillonite tinggi. Jadi, pada tanah yang tidak mengandung montmorillonite, apabila tanah telah jenuh atau seluruh rongga pori terisi penuh oleh air, maka air tidak bisa berpenetrasi ke dalam rongga pori. Penyebabnya adalah karena volume rongga pori tidak mengembang atau tidak terjadi swelling. Pengaruh Variasi Kadar Air Terhadap daya Dukung Friction Pile Gambar 6 adalah kurva loading test hasil pemodelan tiang skala laboraorium. Terlihat pada gambar tersebut bahwa dari kondisi inisial beban aksial maksimum yang mampu ditahan sebelum tiang runtuh adalah sekitar 8 Kg. Namun, apabila kadar air di tambah, beban aksial maksimum yang mampu ditahan oleh model tiang menunjukkan penurunan. Begitu juga sebaliknya, ketika kadar air berkurang, beban aksial maksimum yang mampu ditahan oleh model tiang menunjukkan peningkatan. Jadi, apabila kadar air dalam suatu tanah bertambah, maka daya dukung friction pile pada tanah tersebut akan menurun seiring dengan bertambahnya kadar air. Beban Aksial, P (Kg) 3 6 9 12 15 Settlement, (mm).5 1 1.5 2 2.5 Drying-2, Wc=28.63%, Sr=84% Drying-1, Wc=36.94%, Sr=9% Initial, Wc=4.43%, Sr=91% Wetting-1, Wc=44.53%, Sr=1% Wetting-2, Wc=53.81%, Sr=1% Wetting-3, wc=65.35%, Sr=1% Gambar 6 Kurva Hubungan Antara Beban Aksial dan Penurunan Pemodelan Pondasi Tiang Skala Laboratorium
Imam Alwan Di lapangan, besar kecilnya perubahan daya dukung friction pile akibat adanya variasi kadar air sangat tergantung dari besar kecilnya perubahan kadar air pada tanah. Selain itu, perubahan daya dukung juga dipengaruhi oleh panjang tiang yang berada pada lapisan tanah yang mengalami perubahan kadar air. Hal ini berdasarkan hasil simulasi numerik dengan bantuan software Plaxis 3D. Salah satu output dari software Plaxis 3D ditampilkan pada Gambar 6, sedangkan rangkuman hasil analisa ditampilkan pada Gambar 7. Gambar 6 Salah Satu Output Software Plaxis 3D 1 inisial Daya Dukung, Pu (KN) 9 8 7 6 5 Pembasahan 4 5 6 7 8 9 1 Pembasahan 1m Pembasahan 2m Pembasahan 3m Pembasahan 4m Kadar Air, W (%) Gambar 7 Kurva Korelasi Antara Kadar Air, Daya Dukung Ultimit dan Kedalaman Pembasahan Gambar 7 merupakan kurva hubungan antara kadar air dan daya dukung ultimit tiang type friction pile. Terdapat 4 (empat) kurva yang berbeda, dimana tiap kurva menunjukkan panjang tiang yang berada pada lapisan tanah yang mengalami pembasahan. Berdasarkan Gambar 7, dapat dikatakan bahwa secara umum daya dukung ultimit pondasi friction pile mengalami penurunan seiring dengan bertambahnya
Pengaruh Variasi Kadar Air Terhadap Daya Dukung Pondasi Tiang Type Friction Pile Pada Tanah Ekspansif kadar air dalam tanah. Trend kurva juga memperlihatkan penurunan paling drastis terjadi pada rentang kadar air sekitar 4% s.d 55%. Jika dikaitkan dengan derajat kejenuhan, maka pada rentang tersebut tanah pada kondisi mendekati jenuh sampai dengan jenuh. Selain itu, besarnya penurunan yang terjadi juga sangat tergantung dari panjang tiang yang berada pada lapisan tanah yang mengalami pembasahan. Semakin panjang tiang yang berada pada lapisan yang mengalami pembasahan, maka semakin besar penurunan beban ultimit yang terjadi. 5. KESIMPULAN 1. Variasi kadar air saat pengeringan dan pembasahan akan mempengaruhi parameter fisik seperti derajat kejenuhan, angka pori dan berat volume kering. yang lain. Variasi kadar air juga mempengaruhi besarnya tegangan air pori negatif dan parameter kuat geser tanah lempung (kohesi). 2. Variasi kadar air juga mempengaruhi daya dukung pondasi tiang khususnya tipe friction pile. Semakin besar perubahan kadar air yang terjadi, semakin besar pula penurunan daya dukung ultimit tiang. 3. Akibat adanya variasi kadar air, angka kemanan suatu struktur geoteknik tidak pernah konstan. 4. Dalam desain hendaknya diperhatikan perubahan daya dukung yang mungkin terjadi di lapangan. Oleh karena itu hendaknya konstruksi didesain untuk berbagai kemungkinan faktor aman baik selama masa konstruksi, pasca konstruksi, dan angka keamanan selama masa penggunaan konstruksi. 6. DAFTAR PUSTAKA 1. Coduto D. P. (1994), Foundation Design, Prentice-Hall, New Jersey. 2. Indarto (28), Pathologie Pondasi dan Tantangan Bagi Industri Bangunan Sipil, Pidato Pengukuhan untuk Jabatan Guru Besar dalam Bidang Mekanika Tanah pada Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. 3. Indarto (29), Peranan Variasi Kadar Air Terhadap Kestabilan Struktur Pondasi dan Geoteknik, Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Prasarana Wilayah Program Diploma Teknik Sipil, FTSP, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. 4. Jansen, D. J. dan B. J. Dempsey (198), Soil-moisture Properties of Subgrade Soils, 6 th Annu Transportation Res. Board Meeting, Wahington. 5. Jones D. E. dan Holtz (1973), Expansive Soils-The Hidden Disaster Civil Engineering, Vol 43, No. 8, ASCE, Amerika. 6. Meyerhof, G. G. (1956), Penetration Test and Bearing Capacity of Cohesionless Soils, ASCE Journals of the Soil Mechanics and Foundations Division, Vol. 82, No. SM1, p:1-19, Amerika. 7. Poulos H. G. dan Davis E. H. (198), Pile Foundation Analysis and Design,John Willey and Sons, Amerika. 8. Sanglerat, Guy (1987), Pathologie des Fondations et des Reprise en Sous- Ouvre, Conférence Presentee également Sous L égidee du Universite de Thessalonique, Perancis. 9. Tomlinson, M. J. (1987), Foundation Design and Construction Practice, 3 rd Ed., Viewpoint, London.