Penetapan Kekuatan Geser Tanah 83 8. PENETAPAN KEKUATAN GESER TANAH Achmad Rachman dan S. Sutono 1. PENDAHULUAN Kekuatan geser tanah (soil shear strength) dapat didefinisikan sebagai kemampuan maksimum tanah untuk bertahan terhadap usaha perubahan bentuk pada kondisi tekanan (pressure) dan kelembapan tertentu (Head, 1982). Kekuatan geser tanah dapat diukur di lapangan maupun di laboratorium. Pengukuran di lapangan antara lain menggunakan vane-shear, plate load, dan test penetrasi. Pengukuran di laboratorium meliputi penggunaan miniatur vane shear, direct shear, triaxial compression, dan unconfined compression (Sallberg, 1965) dan fall-cone soil shear strength. Data kekuatan geser tanah, pada awalnya hanya digunakan untuk keperluan teknik bangunan dalam mengevaluasi kemampuan tanah menopang konstruksi bangunan, seperti gedung dan bendungan. Penggunaannya dalam bidang pertanian dikaitkan dengan waktu dan teknik yang tepat dalam pengolahan tanah, waktu penyebaran benih, dan memperkirakan kepekaan tanah terhadap erosi (erodibilitas). Chorley (1959), Cruse dan Larson (1977), dan Rachman et al. (2003) menemukan adanya hubungan yang erat antara kekuatan geser tanah dan erodibilitas. 2. KONSEP KEKUATAN GESER TANAH Coulomb pada tahun 1776 memperkenalkan teori geser maksimum (the maximum shear theory), yaitu bahwa keruntuhan (failure), nilai tekanan pada saat terjadinya perubahan bentuk tetap, terjadi jika tekanan geser yang diberikan mencapai nilai kritis dari kemampuan tanah. Teori ini kemudian disempurnakan oleh Mohr, sehingga kemudian dikenal dengan hukum Mohr-Coulomb. Hukum Mohr-Coulomb menyatakan bahwa kekuatan geser tanah, τ, mempunyai hubungan fungsional dengan kohesi tanah, c, dan friksi antar partikel yang dikemukakan dalam bentuk persamaan sebagai berikut: τ = c + σ n tan φ (1)
84 Rachman dan Sutono dimana: τ adalah kekuatan geser (kpa) yang dibutuhkan sehingga keruntuhan terjadi; c adalah kohesi tanah (kpa); σ n adalah tekanan normal (normal stress; kpa) tegak lurus bidang keruntuhan; dan φ adalah sudut friksi internal partikel (derajat). Dari persamaan tersebut dapat dikemukakan bahwa τ akan sama dengan c jika tidak ada tekanan normal (normal stress, σ n ) yang diaplikasikan terhadap bidang keruntuhan. Pada tanah yang tidak kohesif seperti pasir, maka nilai τ akan sama dengan nilai σ n. Jika pengukuran τ dilakukan pada berbagai nilai σ n, maka nilai c dan φ dapat diperoleh dengan cara meregresikan τ dengan σn, dimana c adalah perpotongan dengan sumbu y (intercept), dan φ adalah kemiringan (slope) dari persamaan regresi. Nilai c bervariasi dari 0 untuk tanah yang tidak kohesif (pasir) sampai 30 kpa pada tanah yang kandungan liatnya tinggi, sedangkan nilai φ bervariasi dari 0 pada tanah liat jenuh air sampai 45 pada tanah pasir yang padat. Berdasarkan prinsip tersebut, Cruse dan Larson (1977) melaporkan adanya korelasi yang sangat erat (r 2 = 0,86) antara percikan partikel tanah dan kekuatan geser tanah. Al-Durrah dan Bradford (1981), dan Rachman et al. (2003) melaporkan korelasi yang tinggi, berturut-turut r 2 = 0,98 dan r 2 = 0,94 antara percikan partikel tanah dan kekuatan tanah dengan persamaan sebagai berikut: S = a + b KE/τ (2) dimana S adalah percikan partikel tanah (mg drop -1 ); KE adalah energi kinetik (J drop -1 ); τ adalah kekuatan geser tanah; dan a dan b adalah konstanta. Dari persamaan tersebut terlihat bahwa erosi percikan ditentukan oleh kekuatan geser tanah. 3. PRINSIP ANALISIS Kekuatan geser tanah dapat diukur dengan berbagai macam cara, namun yang akan diuraikan hanya tiga metode, yaitu direct shear strength, fall-cone soil shear strength, dan tensile strength test. Gambar 1 menunjukkan cara pengukuran kekuatan geser tanah secara langsung (direct shear strength test) menggunakan kotak terpisah (split box). Contoh tanah tidak terganggu (intact soil sample) atau terganggu (disturbed soil sample) ditempatkan di dalam boks bagian bawah, kemudian boks bagian atas yang berukuran sama ditempatkan terbalik menutup boks bagian bawah. Boks bagian bawah statis atau tidak
Penetapan Kekuatan Geser Tanah 85 bergerak, sedangkan boks atas digerakkan ke satu arah secara konstan sambil mengaplikasikan tekanan normal (σ n ) ke permukaan contoh tanah. Ada dua gaya yang bekerja, yaitu (1) tekanan normal yang diakibatkan oleh pemberian beban pada contoh secara tegak lurus (vertikal) dan (2) tekanan geser yang diakibatkan oleh pemberian beban horizontal. σ n = Tekanan normal A Contah tanah A Pergeseran pada lintasan A - A Tekanan geser (shearing stress; σs) Gambar 1. Skema alat direct shear strength Terhadap contoh tanah yang sudah ditempatkan di dalam kotak, diaplikasikan tekanan normal tertentu, kemudian diaplikasikan tekanan geser yang secara berangsur-angsur bebannya ditambah sampai terjadi keruntuhan (shearing failure). Sejumlah test dilaksanakan terhadap contoh tanah yang sama dengan cara menambah tekanan normalnya, yang berarti juga meningkatkan nilai tekanan gesernya. Data tersebut kemudian di plot untuk mendapatkan persamaan regresi. Contoh hasil pengujian disajikan pada Tabel 1 dan hubungan antara tekanan normal dan tekanan geser pada Gambar 2. Dari Gambar 2 dapat diketahui bahwa nilai kohesi dari contoh tanah adalah 44 kpa dan sudut friksi internal partikelnya adalah 22,3 (φ = arc tan 0,41). Gambar 3 menunjukkan metode pengukuran dengan tensile strength test. Gaya F yang diberikan ke suatu agregat atau pun silinder tanah menimbulkan daya geser T di bagian tengah contoh tanah tersebut, dan tegak lurus dengan daya tekan F. Jika gaya F meningkat, maka gaya T akan sebanding dengan Y, dan daya geser agregatnya berlawanan arah dengan F.
86 Rachman dan Sutono Tabel 1. Contoh data hasil pengukuran ketahanan geser tanah menggunakan direct shear Nomor contoh Tekanan normal Tekanan geser 1 2 3 4 5 16,8 38,3 57,5 76,6 100,6 KPa 51,7 61,8 64,2 71,9 88,1 Tekanan geser, kpa 100 80 60 40 20 y = 0.41x + 44 R2 = 0.95 0 0 20 40 60 80 100 120 Tekanan normal, kpa Gambar 2. Hubungan antara tekanan normal dan tekanan geser F T T C F Gambar 3. Gaya F tensile stress T yang terjadi pada agregat
Penetapan Kekuatan Geser Tanah 87 Untuk agregat berbentuk membulat atau bulat dari material yang tidak dipadatkan mempunyai Poisson s ratio sebesar 0,5 sehingga: Y = 0,576 Fc/d 2 (3) dimana: F adalah gaya yang terjadi pada saat timbul retakan dari agregat atau silinder, dan d adalah rata-rata diameter agregat atau silinder. Untuk tanah yang bulat atau silinder, panjang sampelldan diameter d berada menurut panjang di antara dua bidang rata yang sejajar. Daya geser dari contoh tanah demikian dapat dihitung menggunakan: Y = 2 F c ƒ(x)/π*d*l (4) dimana: F c adalah tenaga yang dikeluarkan saat terjadi keruntuhan; ƒ(x) adalah faktor koreksi untuk silinder yang tidak membulat; sedangkan x adalah rasio a/y (Gambar 4); a adalah lebar bagian yang rata; dan y bagian vertikal dari dua bidang datar. Teori Frydman (1964) dapat digunakan untuk menganalisis, dengan persamaan: f(x) = (- d/2a)(2x sin 2x 2y/d)(ln tan (π/4 + x/2) (5) dimana: f(x) = 1,00 untuk contoh tanah yang tidak membentuk dataran rata, sedangkan persamaan (2) untuk agregat berbentuk silinder. a y Gambar 4. Keruntuhan agregat setelah menerima gaya F
88 Rachman dan Sutono 4. METODE 4.1. Peralatan Untuk mengukur daya geser diperlukan: 1. Richard s apparatus (Gambar 5) 2. Timbangan digital berkapasitas 2,0 kg atau lebih 3. Plat besi yang rata, bagian bawah 20 cm dan bagian atas lebih kecil 4. Oven 5. Bejana penampung air 6. Tabung contoh (ring sample) X 1 X 2 Fc = A * (X 1 /X 2 ) A Gambar 5. Richard s apparatus 4.2. Prosedur pengukuran daya geser di laboratrium 1. Contoh tanah utuh (undisturbed) diambil menggunakan tabung tembaga atau stainless steel seperti untuk pengambilan contoh sifatsifat fisik tanah lainnya, selanjutnya dimasukkan ke dalam peti kayu untuk kemudian diangkut ke laboratorium. Hati-hati agar contoh tidak mengalami kerusakan di jalan.
Penetapan Kekuatan Geser Tanah 89 2. Tempatkan contoh tanah di antara dua plat besi atas dan bawah, plat bagian bawah berdiameter 0,2 m dan plat yang diatasnya berdiameter lebih kecil. 3. Secara perlahan, tambahkan air ke dalam bak penampung (dalam Richard s apparatus), dan segera hentikan aliran air apabila contoh tanah pecah, retak atau rusak. 4. Setelah contoh tanah pecah atau retak, ukur lebar (a) dan ketebalan (y) contoh tanah. 5. Timbang dan catat bobot air yang terdapat di dalam bak penampung. 6. Keringkan contoh tanah pada butir 4 untuk ditetapkan kadar airnya dengan cara dioven. 7. Tanah yang telah dikeringkan, diayak untuk membedakan kelas diameter dari masing-masing agregat, yaitu dx, dy, dan dz ; dx untuk kelas diameter paling besar, dy untuk kelas sedang, dan dz untuk kelas diameter paling kecil. Tentukan nilai d dengan perhitungan sebagai berikut: d = (dx, dy, dz) 1/3 (6) 5. PERHITUNGAN Gaya F c adalah hasil dari percepatan gravitasi (9,8 m detik -2 ) dengan hasil pembacaan (kg) dari timbangan digital atau bobot air di dalam bak air Richard s apparatus. Fc diperoleh dengan menghitung bobot air (A) dikalikan X 1 /K 2 (Gambar 3). Untuk contoh tanah berbentuk silinder gunakan persamaan (3) dan (4), sedangkan untuk menghitung agregat gunakan persamaan (5) dan (6). Untuk contoh berbentuk silinder, keakuratan F c berkisar + 10%, sedangkan untuk f(x) lebih kecil lagi. Untuk agregat yang berukuran kecil, akurasinya sangat berubah-ubah tergantung kepada F c dan d, berkisar + 40% dari rata-rata hasil pengukuran. Hasil pengukuran untuk contoh berbentuk silinder, selain Y perlu ditambahkan data tentang kedalaman dan kadar air contoh tanah, jumlah ulangan dan rata-rata hasil pengukuran. Untuk hasil pengukuran agregat, selain gaya geser Y juga perlu dicantumkan kelas diameter d dari setiap kelas a. Akan lebih baik lagi, jika mencantumkan tekstur dan kandungan bahan organik tanah.
90 Rachman dan Sutono 6. DAFTAR PUSTAKA Al-Durah, M., and J. M. Bradford. 1981. New methods of studying soil detachment due to water drop impact. Soil Sci.Soc.Am. J. 45: 836-840. Chorley, R. J. 1959. The geomorphic significance of some Oxford Soils. Am. J. Sci. 257: 503-515. Cruse, R. M., and W. E. Larson. 1977. Effect of soil shear strength on soil detachment due to raindrop impact. Soil Sci. Soc. Am. J. 41: 777-781. Head, K. H. 1982. Manual of soil laboratory testing. Vol. 2: 509-562. John Willey and Sons, New York. Rachman, A., S. H. Anderson, C. J. Gantzer, and A. L. Thompson. 2003. Influence of long-term cropping systems on soil physical properties related to soil erodibility. Soil Sci. Soc. Am. J. 67: 637-644. Sallberg, J. R. 1965. Shear Strength. In Methods of Soil Analysis, Eds. C.A. Black, D. D. Evans, J. L. White, L. E. Ensminger, and F. E. Clark. Agronomy 9: 431-447.