P1P-02 PERBAIKAN TANAH EKSPANSIV MELALUI PENAMBAHAN CaO DALAM UPAYA MENINGKATKAN DAYADUKUNG TANAH UNTUK PONDASI DANGKAL Zulfialdi Zakaria 1, Dicky Muslim 1, Agung Mulyo 1 1 Staff Pengajar Fakultas Teknik Geologi Universitas Padjadjaran Laboratorium Geologi Teknik FTG-Unpad Jl.Raya Bandung Sumedang Km 21, Jatinangor Sumedang 45363 Abstrak Diterima 20 Oktober 2014 Penelitian dilakukan di Kabupaten Majalengka, Jawa Barat, sebagai upaya untuk mengetahui peningkatan dayadukung tanah pondasi dangkal melalui perbaikan tanah. Dayadukung tanah bergantung kepada sifat fisik dan material tanah. Sampel yang didapat berupa lanau dan lempung plastisitas tinggi (MH dan CH) dengan angka aktivitas 0.96 sampai 1,34 (metode Skempton) atau 1,06 sampai 1,49 (metode Seed) termasuk lempung aktivitas tinggi bersifat monmorilonitik. Dalam perencanaan infrastruktur pondasi, desain pondasi membutuhkan faktor keamanan. Nilai dayadukung yang diijinkan (qa) dengan Faktor Keamanan=3 untuk pondasi dangkal bentuk segiempat, didapatkan antara 3,66 sampai 9,52 T/M 2, untuk bentuk pondasi melingkar, antara 3,67 sampai 7,53 T/M 2, dan untuk bentuk pondasi lajur, antara 2,50 sampai 4,27 T/M 2. Untuk menghindari kegagalan pondasi, beban bangunan tidak boleh melebihi dayadukung tanahnya. Tanah yang diperkirakan ekspansif, perlu dilakukan soil improvement. Perbaikan tanah melalui uji laboratorium dilakukan dengan penambahan kapur (CaO). Melalui penambahan kapur secara bertahap per-5% sebanyak 20% sampai 40% dari 100% berat lempung, penurunan aktivitas tanah didapatkan dengan persamaan A=4.9984 CaO -0.586. Sejalan dengan penurunan angka aktivitas, terjadi kenaikan dayadukung tanah untuk pondasi dangkal bentuk square dengan persamaan: qa = 9,084e (0,0387 CaO), untuk pondasi dangkal bentuk circular: qa = 9,154e (0,0382 CaO), untuk pondasi (0,0413 CaO) dangkal bentuk continuous: qa = 6,794e (kondisi geser umum), dan pondasi dangkal bentuk continuous qa = 5,3388e (0,0246 CaO) (kondisi geser local). Namun untuk menghindari angka aktivitas yang masih tinggi (di atas 1) dan antisipasi penyerapan air ataupun perubahan CaO oleh air hujan yang bersifat asam, maka disarankan penambahan kapur cukup berkisar adalah antara 16% sampai 20%. Kata Kunci: Dayadukung Tanah, Pondasi Dangkal, Perbaikan Tanah Pendahuluan Kasus kerusakan infrastruktur akibat tanah mengembang seringkali dijumpai pada daerahdaerah tertentu, terutama pada daerah yang mengandung tanah ekspansif, yaitu tanah dengan sifat tanah mengembang jika basah, dan mengerut jika kering. Infrastruktur yang dimaksud, bisa berupa jalan (aspal, beton atau paving block), fondasi jembatan, bangunan gedung atau rumah. Penelitian ini dilakukan di Kabupaten Majalengka, Jawa Barat, sebagai upaya untuk mengetahui peningkatan dayadukung tanah pondasi dangkal melalui perbaikan tanah, terutama pada tanah ekspansif. Penelitian dilakukan di salah satu wilayah di Majalengka. Kabupaten Majalengka merupakan daerah yang akan berkembang pesat, terutama jika rencana pembangunan Bandara Internasional Kertajati dilaksanakan di daerah tersebut. Maka dapat diperkirakan bahwa akan dibutuhkan berbagai fasilitas umum, seperti perkantoran, penginapan, rumah makan, rumah sakit, tempat hiburan, taman, dan sebagainya. Berbagai infrastruktur akan banyak dibutuhkan, seperti jembatan, akses jalan ke berbagai tempat dan sebagainya. 99
Pembangunan infrastruktur akan membutuhkan kajian mengenai fondasi bangunan yang merupakan bagian terbawah yang langsung bersentuhan dengan tanah. Rancangbangun fondasi akan memerlukan perhitungan dayadukung tanah. Salah satu variable tanah yang dibutuhkan untuk perhitungan daya dukung tanah adalah (sudutgeser dalam, derajat), c (kohesi, T/M 2 ), wet (Bobot isi tanah, T/M 3 ). Dayadukung tanah biasanya menghadapi kendala pada tanah berbutir halus yang mengandung mineral lempung, dan mempunyai angka aktivitas lebih dari satu. Kendala tersebut berupa tanah ekspansif yang mengembang jika basah, dan mengerut jika kering. Kondisi ekspansivitas tanah dapat dikaji melalui perhitungan angka aktivitas, batas plastis, dan jumlah % tanah berbutir halus. Untuk mengurangi sifat ekpansifnya, biasanya dilakukan soil improvement dengan berbagai cara. Berdasarkan kajian di atas, maka dirumuskan masalah: 1) Bagaimanakah kondisi tanah di daerah kajian penelitian? 2) Bagaimanakah nilai dayadukung tanah di daerah tersebut? 3) Bagaimanakah hubungan antara tanah ekspansif (yang diwakili oleh angka aktivitas) dengan nilai dayadukung tanahnya 4) Bagaimanakah metode sederhana untuk mengurangi tanah ekspansif sekaligus menaikkan niai dayadukung tanahnya? Tinjauan Pustaka Lempung dan Mineral Lempung Lempung merupakan partikel tanah yang paling halus yang umumnya mengandung mineral lempung. Material ini dapat menjadi sisi lemah dalam perencanaan infrastruktur sipil dan bangunan, tetapi juga dapat diperbaiki kelemahannya sehingga mempunyai kekuatan bilamana dapat diupayakan subsitusi ion-ionnya melalui soil improvement secara kimiawi, yaitu dengan menambahkan CaO atau CaCO3 pada tanah lempung ekspansif agar sifat mengembang dari Na-AluminiumSilikat dapat berkurang akibat subsitusi ion Na oleh ion Ca sesuai dengan skala golongan kimia dengan subsitusi ion-ion logamnya dari tingkat yang lebih tinggi: Li<Na<NH4<K<Mg<Rb<Ca<Co<Al, maka, Ca akan menggantikan Na atau Mg secara lebih mudah (Bowles, 1984). Lempung dan mineral-mineral lempung merupakan komponen penting dari tanah bermasalah dalam geologi teknik. Berdasarkan ukuran partikel, butiran lempung (ukuran lempung, clay size) termasuk fraksi sangat halus karena butiran lempung sangat halus yaitu kurang dari 2 m (atau kurang dari 1/256 mm ukuran butir menurut cara Wenworth), atau berupa lembaran yang sangat tipis. Sumber utama dari mineral lempung adalah pelapukan kimiawi dari batuan yang mengandung : Felsdpar ortoklas, Feldspar plagioklas dan Mika (muskovit) ; semuanya itu disebut sebagai aluminium silikat kompleks. Karakteristik Mineral Lempung Tanah lapukan batulempung mempunyai sifat-karakteristik yang khas sesuai dengan komposisi mineral penyusunnya. Sifat tersebut adalah sifat mengembang (swelling) terutama jika ada air dan mudah hancur jika terkena udara atau terlapukkan secara fisik berupa remuknya lempung, pecah berkeping-keping dan urai. Sifat terakhir ini disebut sebagai slacking (Brotodihardjo, 1990). Sifat mengembang bisa bergantung kepada angka aktivitas masing-masing tanahnya. Pada umumnya sifat ini menyebabkan tanah ekspansif, yaitu mudah menyusut dan mudah mengembang sesuai perubahan kadar air tanah karena terjadinya perubahan volume apabila kandungan air dalam tanah berubah (Mudjihardjo et al., 1997). Aktivitas lempung dirumuskan dengan perbandingan plasitisitas dengan persen butiran lempung seperti disampaikan oleh Seed et al. (1962, dalam Hunt, 2007) yaitu A = 100
(%PI) : (% lempung 2 m 5), atau cara Skempton, yaitu A = (%PI) : (% lempung). A adalah angka aktivitas, dan PI adalah Indeks Plastisitas. Nilai khas aktivitas diperlihatkan oleh mineral yang khas pada Tabel 1. Dayadukung Tanah Dayadukung tanah untuk fondasi dangkal bergantung kepada sifat fisik dan material tanah. Nilai dayadukung batas (qu) bergantung kepada nilai kohesi (c, T/M 2 ), sudut-geser dalam (derajat), dan bobot isi tanah (, T/M 3 ). Perhitungan dayadukung tanah untuk fondasi dangkal akan menggunakan rumus dari Terzaghi (dalam Bowles, 1997). Cara Terzaghi akan digunakan karena dari perbandingan dengan beberapa metode, cara Terzaghi masih memberikan nilai terkecil, sehingga antisipasi untuk keruntuhan fondasi masih dikatakan lebih baik dari yang lainnya. Oleh sebab itu dalam menghitung daya dukung tanah untuk fondasi dangkal digunakan cara perhitungan Terzaghi (dalam Bowles, 1997). Lihat Tabel 2. F adalah Faktor Keamanan yang disarankan, biasanya di atas 2. Jika F = 2, artinya daya dukung tanah yang diijinkan untuk fondasi yang dirancang nilainya adalah setengah dari nilai daya dukung batas (q u ). Metode Penelitian Metode penelitian untuk perbaikan tanah ini dilakukan melalui serangkaian kegiatan yaitu: Studi pustaka, survey lapangan, pengambilan sampel tanah tak-terganggu, analisis tanah di laboratorium mekanika tanah, editing dan tabulasi data hasil laboratorium, perhitungan nilai angka aktivitas, perhitungan dayadukung tanah untuk fondasi dangkal dari beberapa bentuk fondasi (square, circular, dan continuous). Untuk perbaikan tanah dilakukan percobaan dengan cara mencampurkan tanah dengan kapur. Pada penelitian ini akan dilakukan simulasi dengan penambahan kapur CaO secara bertahap, 20, 25, 30, 35, dan 40 %. Jika penambahan CaO terendah cukup signifikan, maka penambahan CaO terendah itulah yang akan digunakan untuk soil improvement. Ini mengacu pula kepada peneliti terdahulu bahwa pada tanah lempung dengan penambahan 5% kapur memberikan perubahan kekuatan geser yang nyata lebih kuat dibandingkan tanpa kapur (Hardiyati, 2003), sehingga jika diaplikasikan kepada perhitungan dayadukung tanah, hasilnya akan ada peningkatan. Hubungan antara angka aktivitas dan jumlah lempung akan dilakukan dengan menggunakan cara Seed. Dari ploting sampel tanah tersebut akan diketahui perkiraan ekspansivitas tanahnya. Kemudian dilakukan análisis hubungan antara angka aktivtas dengan jumlah penambahan kapur, hubungan antara kenaikan nilai dayadukung tanah dengan penambahan CaO pada sampel tanah lempung. Hasil dan Pembahasan Berdasarkan hasil analisis mekanika tanah, sampel yang didapat berupa lempung plastisitas tinggi (CH) dengan angka aktivitas antara 0.96 sampai 1,34 (dengan metode Skempton) atau 1,06 sampai 1,49 (dengan metode Seed) termasuk lempung aktivitas tinggi bersifat monmorilonitik. Data sampel tanah, nilai aktivitas kondisi awal dan dayadukung tanah kondisi awal diperlihatkan pada Tabel 3. Dalam perencanaan infrastruktur pondasi, desain pondasi membutuhkan faktor keamanan. Nilai dayadukung yang diijinkan (qa) dengan Faktor Keamanan=3 untuk pondasi dangkal bentuk segi-empat, didapatkan antara 3,68 sampai 9,52 T/M 2, untuk bentuk pondasi melingkar, antara 3.67 sampai 7,57 T/M 2, dan untuk bentuk pondasi lajur, antara 2,50 sampai 4,27 T/M 2 (Tabel 3). 101
Berdasarkan metode Seed, tanah termasuk dalam kelompok berpotensi mengembang sangat tinggi (Gambar 1). Menurut grafik Seed, terdapat sekitar 25% potensi tanahnya mengembang sangat tinggi. Agar pondasi kuat, maka dilakukan beberapa upaya yang perlu dilakukan, yaitu: 1) Untuk menghindari kegagalan pondasi, beban bangunan tidak boleh melebihi dayadukung tanahnya; 2) Tanah yang diperkirakan ekspansif, perlu dilakukan soil improvement. Perbaikan tanah dilakuan melalui percobaan dan uji laboratorium yang dilakukan dengan penambahan kapur (CaO). Tanah lempung dicampur Cao kemudian dicetak dan diuji dengan uji geser langsung. Melalui penambahan kapur secara bertahap per-5% sebanyak 20% sampai 40% dari 100% berat lempung. Masing-masing tanah percobaan tersebut kemudian ditest variable tanahnya (Tabel 4). Aktivitas tanah menurun sejalan dengan penambahan CaO, sekaligus terlihat adanya peningkatan nilai dayadukung tanah (Tabel 5). Grafik hubungan penurunan aktivitas tanah dapat dilihat pada gambar dengan persamaan A=4.9984 CaO -0.586 (Gambar 2). Sejalan dengan penurunan angka aktivitas, terjadi kenaikan dayadukung tanah. Untuk pondasi dangkal bentuk square didapat persamaan: qa = 9,084e (0,0387 CaO), pondasi dangkal bentuk circular: qa = 9,154e (0,0382 CaO), pondasi dangkal bentuk continuous: qa = 6,794e (0,0413 CaO) untuk kondisi geser umum, qa = 5,3388e (0,0246 CaO) untuk kondisi geser lokal. Dalam hal ini, diambil pondasi bentuk menerus, karena nilai yang didapatkanya paling kecil, sehingga antisipasinya lebih besar. Berdasarkan perhitungan grafik hubungan antar variabel, Angka aktivitas mulai berkurang (kurang dari satu) pada penambahan CaO sebanyak 16 %. Oleh sebab itu penambahan CaO bisa dibatasi antara 16 sampai 20 persen saja. Hal ini juga dilakukan untuk menghindari angka aktivitas yang masih tinggi (> 1) dan antisipasi penyerapan air ataupun perubahan CaO oleh air hujan yang bersifat asam.. Peningkatan nilai dayadukung tanah pada penambahan CaO memperlihatkan hasil dari sampai 4.27 T/M 2 ke 13.16 T/M 2 sampai 2.5 T/M 2 ke 13.16 T/M 2 atau dari 185,25% sampai 316,40%. Kesimpulan Dari pembahasan di atas, didapat kesimpulan sebagai berikut: 1) Kondisi tanah di daerah kajian penelitian pada umumnya tanah berbutir halus; 2) Nilai dayadukung tanah di daerah tersebut memperlihatkan rentang sebagai berikut: Untuk pondasi dangkal bentuk segiempat, didapatkan antara 3,68 sampai 9,52 T/M 2, untuk bentuk pondasi melingkar, antara 3.67 sampai 7,57 T/M 2, dan untuk bentuk pondasi lajur, antara 2,50 sampai 4,27 T/M 2 ; 4) Hubungan antara tanah ekspansif (yang diwakili oleh angka aktivitas) dengan nilai dayadukung tanahnya memperlihatkan bahwa nilai dayadukung tanah meningkat sejalan dengan penurunan nilai angka aktivitas; 5) Metode sederhana untuk mengurangi tanah ekspansif sekaligus menaikkan nilai dayadukung tanahnya bisa dilakukan dengan pencampuran CaO, namun jumlah pencampuran harus memperhatikan berbagai hal, antara lain: diperlukan perhitungan jumlah minimum penambahan CaO yang cukup untuk meningkatkan nilai dayadukung tanah sekaligus menurunkan nilai aktivitas tanah, Disarankan ada penelitian lain jika tanah yang telah diperkuat sering dilanda hujan yang bersifat asam, maka jumlah penambahan CaO harus tepat dan antisipasi lain masih diperlukan sehubungan dengan reaksi antara CaO dengan air hujan yang bersifat asam. Ucapan Terimakasih Penelitian ini merupakan sebagian dari penelitian lain yang didanai oleh Dana DIPA Unpad, sesuai dengan Keputusan a.n. Rektor Unpad, Ketua Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat tentang Penetapan Pelaksanaan Penugasan Skema 102
Unggulan Perguruan Tinggi, Nomor: 19/UN6.R/PL/2014, Tgl. 17 Januari 2014. Ucapan terima kasih disampaikan kepada Ketua LPPM dan Rektor Universitas Padjadjaran atas terselenggaranya penelitian ini. Daftar Pustaka Bowles, J. E., Physical and geotechnical properties of soils, McGraw-Hill, Inc., 2nd ed., International student ed., 578 p., 1984. Bowles, J. E., Foundation Analysis and Design, McGraw-Hill. 624 p., 1997, Brotodihardjo, A.P.P., Masalah Geoteknik di Sekitar Rencana Terowong-an/Saluran irigasi Karedok Kanan, DAS Cimanuk, Proceedings Pertemuan Ilmiah Tahunan IAGI XIX, 11-13 Desember 1990, hal. 132-142,1990. Mudjihardjo, D., Sucipto, & Cindarto, Karakteristik Tanah Ekspansif Studi Kasus Rencana Pabrik Glukose Cimalaya-Cikampek, Bulletin Pusair, No. 25, Th. VII, September 1997, ISSN: 0852-5919. hal. 16-24, 1997. Hardiyati, S., Studi potensi mengembang dan kekuatan tanah lempung ekspansif engan dan tanpa kapur akibat siklus berulang basah-kering, Thesis Magister, Program Pascasarjana Universitas Diponegoro, unpublish, 118 hal., 2003. Hunt, R.E., 2007, Geologic Hazards, a field guide for geotechnical engineers, CRC Press, p.184-196 103
Tabel 1. Nilai aktivitas beberapa mineral lempung yang khas (Bowles, 1984) Mineral Angka Aktivitas Sifat Aktivitas Kaolinit Illit Montmorilonit 0,4-0,5 0,5-1,0 1,0-7,0 Aktifitas paling rendah Aktifitas sedang Aktifitas tinggi Tabel 2. Jenis fondasi dan persamaan dayadukungnya (Bowles, 1997) Jenis Fundasi Kapasitas dayadukung (Terzaghi) Lajur/menerus q u = c.n c + q.n q + 0,5 B N Segi empat q u = 1,3 c.n c + q.n q + 0,4 B N Lingkaran q u = 1,3 c.n c + q.n q + 0,3 B N Keterangan : q u = ultimate soil bearing capacity (T/M 2 ) c = kohesi tanah (T/M 2 ) q = x D = bobot satuan isi tanah (T/M 3 ) D = kedalaman fondasi (Meter) B = dimensi lebar atau diameter fundasi (Meter) = sudut geser dalam (derajat) N c, N q, N, = Faktor dayadukung tanah bergantung kepada Daya dukung yang diijinkan adalah q a = ( q u /F) Tabel 3. Data sampel tanah, anga aktivitas dan nilai dayadukung tanah Tabel 4. Ringkasan hasil percobaan penambahan lempung dengan kapur 104
Tabel 5. Penambahan Cao dan hubungannya dengan dayadukung dan angka aktivitas Gambar 1. Hubungan angka aktivitas dan % lempung untuk mengetahui perkiraan sifat mengembang tanah sampel dengan menggunakan grafik Seed 105
Gambar 2. Hubungan antara penurunan angka Aktivitas dan penambahan CaO 106
PROSIDING SEMINAR NASIONAL KEBUMIAN KE-7 Gambar 3. Hubungan antara dayadukung tanah fondasi dangkal bentuk continuous dengan penambahan CaO. Gambar atas (A) adalah untuk kondisi general shear. Gambar bawah (B) adalah untuk kondisi local shear. 107