BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Studi Parameter Tanah Dalam mendesain bangunan geoteknik salah satunya konstruksi Basement, diperlukan data data tanah yang mempresentasikan keadaan lapangan. Penyelidikan lapangan dan pengambilan sampel tanah untuk pengujian laboratorium, tidak dilakukan pada seluruh lokasi melainkan di tempat-tempat lokasi kritis yang memungkinkan dan dianggap mewakili lokasi sebenarnya. 2.1.1 Penyelidikan Lapangan Pada proyek Millennium Centennial Center (selanjutnya akan disingkat MCC) ini, telah dilakukan penyelidikan lapangan berupa 2 (dua) titik tes Soil Boring DB1 dan DB2 oleh PT. Kisocon, 5 (lima) titik tes Soil Boring BH1 s/d BH5 dengan kedalaman 70-90 meter dan 12 titik tes sondir ringan S1 s/d S12 dengan kapasitas 2,5 ton oleh PT. Daya Creasi Mitrayasa. Pengambilan sampel tanah pada tiap titik tes tersebut dilakukan untuk selanjutnya diuji di laboratorium. II-1
Gambar 2.1. Denah Lokasi Penyelidikan Tanah (Sumber : Soil Investigation Report by PT. Dacrea) 2.1.2 Pengujian Laboratorium Sampel tanah yang diambil di lapangan dari beberapa kedalaman diuji di laboratorium untuk mendapatkan data data dari tanah tersebut. Data tanah yang didapat dari pengujian sampel tanah di laboratorium terdiri dari: 1. Deskripsi tanah (Clay, Silt, Sand, & Gravel) 2. Kadar air natural (Wn) 3. Berat volume kering (γd/γunsat) dan tanah jenuh (γs/γsat) 4. Berat jenis (Gs) 5. Angka pori (e) 6. Porositas (n) 7. Derajat Kejenuhan (Sr) II-2
8. Atterberg Limits (LL, PL, & PI) 9. Triaxial Test Unconsolidated Undrained (UU) Kohesi (c) Sudut geser (Ø) 10. Triaxial Test Consolidated Undrained (CU) Kohesi (c ) Sudut geser (Ø ) 11. Consolidation Test (Pc, Cc, Cs, & Cr) Tekanan Prakonsolidasi (Pc) Indeks Pemampatan (Cc) Indeks Pengembangan (Cs) Indeks Pemampatan kembali (Cr) 2.1.3 Korelasi Data Tanah Kelengkapan data dalam penyelidikan lapangan dan uji pengujian laboratorium menentukan akurasi dalam perencanaan, tetapi tidak semua data dapat diperoleh dengan lengkap. Hal tersebut terkait dengan masalah biaya pengambilan sampel atau kendala nonteknis yang terjadi di lapangan. Oleh karena itu penulis harus dapat mengambil asumsi yang dipertanggungjawabkan dengan nilai kesalahan yang minimal. Asumsi tersebut diperoleh dari korelasi empiris yang telah dilakukan oleh ahli-ahli geoteknik dan mengacu pada pemahaman mekanika tanah yang baik. Berikut ini beberapa sumber korelasi korelasi data tanah. II-3
Tabel 2.1. Hubungan Kuat Geser Tanah Dominan Lempung dan Lanau dengan N-SPT (Mochtar, 2006) Tabel 2.2. Hubungan Sudut Geser Dalam Tanah Pasir dengan N-SPT Konsistensi N-SPT Sudut geser dalam (ϕ) Very Loose < 4 < 30 Loose 4-10 30-35 Medium 10-30 35-40 Dense 30-50 40-45 Very Dense > 50 45 (Meyerhoff, 1976) Tabel 2.3. Hubungan Antara Sudut Geser Dalam, Tingkat Plastisitas dan Tanah Lempung (Bjerrum, 1960) Tabel 2.4. Kuat Geser Efektif untuk Tanah Kohesif (Bowless, 1968) II-4
Tanah non kohesif seperti pasir dan batuan dapat meningkat seiring bertambahnya tegangan efektif, dan hampir tidak memiliki nilai kohesi. Nilai yang digunakan adalah: Pasir dengan N-SPT >30 : ϕ = 40-42, C = 5 kn/m2 Pasir dengan N-SPT <30 : ϕ = 35, C = 5 kn/m2 Tabel 2.5. Perkiraan Poisson Ratio Macam Tanah Poisson Ratio Lempung jenuh 0,4-0,5 Lempung tak jenuh 0,1-0,3 Lempung berpasir 0,2-0,3 Lanau 0,3-0,35 Pasir padat 0,2-0,4 Pasir kasar (angka pori, e = 0,4-0,7) 0,15 Pasir halus (angka pori, e = 0,4-0,7) 0,25 Batu (agak tergantung dari macamnya) 0,1-0,4 Loose 0,1-0,3 (Bowless, 1968) Tabel 2.6. Perkiraan Poisson Ratio Efektif (Muni Budhu - Soil Mechanics and Foundation, 2011) II-5
Tabel 2.7. Range Modulus Elastisitas Tanah Jenis Tanah Modulus Elastisitas, E (kn/m 2 ) Pasir Lepas (Loose Sand) 10500-24000 Pasir Medium (Medium Dense Sand) 17250-27600 Pasir Padat (Dense Sand) 34500-55200 Pasir Kelanauan (Silty Sand) 10350-17250 Pasir dan Kerikil (Sand and Gravel) 69000-172500 Lempung Lunak (Soft Clay) 4100-20700 Lempung Sedang (Medium Clay) 20700-41400 Lempung Kaku (Stiff Clay) 41400-96600 (Principles of Foundation Engineering, Braja M. Das, 5th Edition, 2004) 2.2. Konstruksi Basement Basement adalah sebuah tingkat atau beberapa tingkat dari bangunan yang keseluruhan atau sebagian terletak di bawah tanah. Basement adalah ruang bawah tanah yang merupakan bagian dari bangunan gedung (Wikipedia). Adanya basement tentunya akan ada penggalian tanah. Tuntutan akan basement yang berlapis lapis membuat galian semakin dalam. Keadaan ini akan menuntut struktur dinding penahan tanah dan penunjangnya harus kokoh. Dengan rencana basement sebanyak 6 lantai di proyek MCC ini, memerlukan galian tanah hingga kedalaman -22 meter. Kondisi tanah pada proyek MCC yang umumnya lunak ini biasanya akan menimbulkan beban lateral yang lebih besar ke dinding penahan. II-6
2.3. Tekanan Tanah Lateral Tekanan tanah lateral adalah tekanan tanah arah horizontal. Berdasarkan pergerakan relatif dinding penahan tanah terhadap massa tanah yang ditahan, maka tekanan tanah lateral dibagi 3, yaitu: 1. Tekanan tanah dalam keadaan diam (at rest), terjadi jika dinding tidak bergerak. Massa tanah berada dalam kondisi elastic equilibrium. 2. Tekanan tanah pasif, terjadi jika dinding bergerak menuju tanah yang ditahan. Pada kondisi ini, massa tanah juga telah berada dalam kondisi plastic equilibrium. 3. Tekanan tanah aktif, terjadi jika dinding bergerak menjauh dari tanah yang ditahan. Massa tanah telah berada dalam kondisi plastic equilibrium. Pada kasus galian basement ini tekanan yang bekerja pada dinding penahan tanah adalah tekanan tanah aktif. 2.3.1 Tekanan Tanah Aktif Gambar 2.2. Tekanan Tanah Aktif (Principles of Geotechnical Engineering, Braja M. Das, 5th Edition, 2002) II-7
Gambar 2.2 menunjukkan dinding penahan tanah AB bergerak menjauhi tanah. Hal tersebut menyebabkan tegangan utama arah horizontal berkurang secara terus menerus. Ketika dinding penahan tanah bergerak menjauhi tanah sejauh ΔLa, maka akan terjadi keseimbangan plastis (plastic equilibrium) dan akan runtuh menurut garis BC, kondisi ini dinamakan kondisi tekanan tanah aktif (Rankine, 1857). Jarak pergerakan dinding penahan tanah sebagai fungsi dari ketinggian yang diperlukan untuk mencapai kondisi keruntuhan minimal aktif, ditunjukkan dalam tabel di bawah ini. Tabel 2.8. Hubungan ketinggian dengan pergeseran horizontal pada kondisi aktif (Foundation Design: Principles and Practices, Donald P. Coduto, 2nd Edition, 2001) H : Ketinggian dinding penahan 2.4. Dinding Penahan Tanah Dinding penahan tanah merupakan struktur penahan tanah yang digunakan untuk menahan lereng atau galian tegak. Fungsi utama dinding penahan tanah adalah menjaga stabilitas tanah maupun struktur agar tidak mengalami keruntuhan akibat gaya yang terjadi. 2.4.1 Dinding Penahan Tanah yang Digunakan Dinding penahan tanah yang digunakan sebagai perkuatan galian basement dalam studi kasus ini adalah diaphragm walls. Dinding penahan tanah ini dibuat II-8
di sekeliling galian dengan menggali parit menerus yang selanjutnya diisi dengan tulangan baja dan di cor secara menerus dengan menggunakan bentonite slurry. Diaphragm walls ini umumnya digunakan untuk deep excavation. Dengan kedalaman galian rencana sedalam 22 meter, maka diaphragm walls pada proyek MCC ini direncanakan memiliki panjang 35 meter. Diaphragm walls ini nantinya akan didukung dengan perkuatan 4 layer jangkar tanah atau ground anchor. Analisis deformasi untuk tiap kedalaman sangat penting dilakukan dalam perencanaan dinding penahan tanah ini. 2.5. Ground Anchor Ground anchor dapat digunakan untuk semua jenis dinding penahan tanah. Tujuan penggunaan ground anchor di antaranya untuk mengurangi bending moment, menambah kekuatan lereng, dan meminimalkan deformasi yang terjadi. Prinsip kerja ground anchor adalah mentransfer gaya tarik akibat pergerakan tanah dengan mengandalkan gaya gesek antara ground anchor itu sendiri dengan tanah di sekitarnya. Spesifikasi dan ketentuan ground anchor pada penelitian ini mengikuti data data berdasarkan konsultan struktur (gambar terlampir). Karena data ground anchor yang didapat terbatas, penentuan gaya prestress ditentukan berdasarkan referensi Clough. et. al. metode Terzaghi-Peck yaitu: Gaya prestress = 0,4 γ H (2.1) Dimana γ = Berat volume tanah dan H = Tinggi dinding diaphragm walls 2.6. Deformasi Lateral Deformasi lateral dinding penahan tanah berkaitan erat dengan besarnya deformasi izin yang diperbolehkan saat dikenai gaya lateral tepat saat dinding akan mengalami II-9
keruntuhan. Berdasarkan lokasi studi kasus, diketahui bahwa secara umum tanah yang berada di sekitar lokasi rencana merupakan umumnya adalah lempung kaku. Tabel 2.8. menunjukkan deformasi lateral izin untuk lempung kaku pada kondisi tekanan tanah aktif adalah 0.020H = 0,020 x 35 = 0.70 m atau 70 cm. 2.7. Safety Factor (Faktor Keamanan) Safety Factor adalah perbandingan gaya atau momen yang menahan dengan gaya atau momen total yang meruntuhkan. Sebuah struktur dalam kondisi kritis (tepat akan mengalami keruntuhan) jika besarnya gaya yang menahan sama dengan gaya total yang meruntuhkan, atau dengan kata lain nilai safety factornya adalah 1 (satu). 2.8. Pemodelan Tanah Pada PLAXIS Ada banyak model material tanah yang bisa digunakan untuk analisis tegangan regangan pada tanah, tetapi yang akan disajikan pada PLAXIS dalam penelitian ini hanya 3 (tiga) model, yaitu Mohr-Coulomb, Hardening Soil dan Soft Soil. 2.8.1 Mohr-Coulomb Menurut Mohr- Coulomb, tanah diasumsikan berperilaku sebagai material plastik linear elastis sempurna, sehingga tidak diperlukan pengerasan atau pelunakan. Hasil dari Mohr-Coulomb adalah 2 (dua) parameter model plastis yaitu sudut geser (ϕ ) dan kohesi (c ), bersama sama mewakili kerucut heksagonal dalam ruang tegangan utama seperti Gambar 2.4 II-10
Gambar 2.3. Kriteria Keruntuhan Mohr-Coulomb (Geotechnical Aspect of The Bangkok MRT Blue Line Project, Chanaton Surarak B. Sc, M.Eng.) Gambar 2.4. Heksagonal tegangan pokok Mohr-Coulomb (Geotechnical Aspect of The Bangkok MRT Blue Line Project, Chanaton Surarak B. Sc, M.Eng.) Pada pemodelan tanah Mohr-Coulomb ada dua fase yang terjadi pada grafik tegangan regangan sebagai berikut: II-11
Gambar 2.5. Grafik perfectly elastic plastic model Mohr-Coulomb (Geotechnical Aspect of The Bangkok MRT Blue Line Project, Chanaton Surarak B. Sc, M.Eng.) Pada grafik tersebut terlihat bahwa ketika tanah diberi pembebanan, tegangan dan regangan tanah tersebut akan terus bertambah sampai menemukan batas fase elastis, tegangan tanah akan tetap dan hanya regangan yang bertambah. Kondisi tersebut adalah kondisi plastis. Model Mohr-Coulomb terdapat 5 (lima) parameter. Berikut rincian dari parameter tersebut. Tabel 2.9. Parameter Mohr-Coloumb model (Geotechnical Aspect of The Bangkok MRT Blue Line Project, Chanaton Surarak B. Sc, M.Eng.) II-12
1. Modulus Young (E) Modulus Young adalah modulus kekakuan dasar yang berhubungan dengan tegangan dan regangan tanah. Umumnya, modulus sekan pada kekuatan 50%, dilambangkan sebagai E50, cocok untuk kondisi pembebanan tanah, lihat gambar dibawah ini. Gambar 2.6. Definisi E 50 (Geotechnical Aspect of The Bangkok MRT Blue Line Project, Chanaton Surarak B. Sc, M.Eng.) 2. Poisson Ratio (v) Poison ratio pada tanah kondisi drained berkisar antara 0.3-0.4 (Bowles, 1986). Sedangkan untuk poisson ratio pada tanah undrained bernilai 0.5, namun untuk kondisi undrained angka poisson ratio yang tepat disarankan memakai nilai ν = 0.495. 3. Kohesi (c ) Kohesi (c ) adalah dimensi tegangan. Dalam software Plaxis, bahkan untuk tanah berkohesi c = 0, disarankan mengambil nilai setidaknya c > 0.2 kn/m2 untuk menghindari komplikasi komputasi. 4. Sudut Geser (ϕ ) II-13
Sudut geser (ϕ') diperoleh dari plot tegangan geser terhadap tegangan normal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3 (kriteria keruntuhan Mohr-Coulomb) sudut geser dinyatakan dalam derajat. 5. Sudut Dilatansi (ψ) Sudut dilatansi (ψ) dinyatakan dalam derajat. Bolton (1986), dalam kaitannya dengan Plaxis, direkomendasikan korelasi sudut gesekan dan sudut dilatansi untuk tanah kohesif. ψ = ϕ - 30 (2.2) Untuk tanah kohesif, yang cenderung memiliki dilatansi kecil, nilai ψ = 0 akan realistis untuk digunakan dalam kasus umum. Nilai negatif yang kecil untuk ψ hanya realistis untuk tanah pasir yang sangat lepas. 2.8.2 Hardening Soil Dalam model ini, tegangan total dihitung menggunakan kekakuan stresdependent, yang berbeda untuk antara unloading/reload. Pengerasan diasumsikan isotropik, tergantung pada geser plastik dan tegangan volumetrik. Aturan aliran nonassociated diadopsi ketika berhubungan antara frictional hardening dan aturan terkait aliran diasumsikan untuk cap hardening. Schanz et al. (1999) menjelaskan secara rinci, perumusan dan verifikasi model tanah Hardening. Latar belakang penting dari model diringkas dalam bagian ini. Sebanyak 10 parameter yang diperlukan masukan dalam HSM, sebagaimana ditampilkan dalam tabel dibawah berbeda dengan hubungan tegangan-regangan Mohr Coulomb model, karena pemuatan utama, diasumsikan kurva hiperbolik dalam model tanah Hardening. II-14
Tabel 2.10. Parameter Hardening soil model Bab II Tinjauan Pustaka Gambar dibawah menunjukkan hubungan hiperbolik tegangan dan regangan pada beban primer (Schanz et al. 1999). Gambar 2.7. Hubungan hiperbolik tegangan dan regangan pada beban primer untuk standar test triaxial kondisi drained II-15
2.8.3 Soft Soil Model Tabel dibawah adalah 7 (tujuh) parameter input untuk Soft Soil Model (selanjutnya akan disingkat SSM). Tabel 2.11. Parameter Soft soil model Seperti yang ditunjukkan pada Gambar dibawah. Untuk membedakan antara recompression dan beban utama, diperlukan tekanan pra-konsolidasi (pp). Tekanan pra-konsolidasi dapat ditentukan oleh nilai rasio OCR. Gambar 2.8. Tekanan, indeks swelling dan tekanan pra-konsolidasi II-16
Kriteria kegagalan Mohr-Coulomb diadopsi dalam SSM, oleh karena itu diperlukan parameter kekuatan, ϕ' dan c'. Gambar 2.9. Soft soil model dalam ruang p -q Sumber : Geotechnical Aspect of The Bangkok MRT Blue Line Project, 2011. Chanaton Surarak B. Sc, M.Eng. Parameter M pada keadaan kritis tidak mengatur garis keruntuhan. Kriteria keruntuhan Mohr-Coulomb digunakan sebagai pengganti, sedangkan parameter M disimpan dalam SSM untuk menentukan ketinggian elips. Oleh karena itu, garis kegagalan dan permukaan hasil elips dapat dikontrol secara terpisah. Secara signifikan, parameter M bukanlah parameter input langsung SSM tersebut. 2.9. Kondisi Undrained dan Drained Dalam memodelkan elemen tanah di program elemen hingga terutama PLAXIS, biasa dapat dilakukan dalam kondisi undrained dan kondisi drained. Hal ini dipengaruhi oleh kecepatan air untuk masuk/keluar dari tanah pada waktu tertentu saat tanah tersebut diberikan beban. Sehingga kondisi undrained dan drained dalam program elemen hingga tergantung pada pemodelan yang dilakukan pada saat tanah diberikan beban. II-17
Kondisi undrained adalah kondisi dimana tidak ada pergerakan atau aliran air pori dari tanah dan tidak ada perubahan volume tanah. Pada keadaan ini, beban luar yang bekerja akan menimbulkan tegangan air pori berlebih di dalam tanah karena pembebanan dilakukan dalam waktu yang relatif cepat. Sedangkan yang dimaksudkan untuk kondisi drained adalah kondisi dimana air terdapat pergerakan/aliran air pori dari tanah. Pada keadaan ini beban luar yang bekerja tidak menimbulkan tegangan air pori berlebih karena pembebanan yang dilakukan dalam waktu yang relatif lambat. Oleh sebab itu air masih tetap dapat bergerak masuk atau keluar dari tanah. Secara sederhana kondisi drained dan undrained dapat dijelaskan sebagai berikut: 1. Kondisi Undrained Tanah ber-permeabilitas rendah Beban luar bekerja dalam waktu relatif cepat Perilaku jangka pendek tanah kritis Perilaku jangka panjang tidak kritis 2. Kondisi drained Tanah ber-permeabilitas tinggi Beban luar bekerja dalam waktu relatif lambat Perilaku jangka pendek tanah tidak kritis Perilaku jangka panjang kritis 2.10. Studi Literatur Penelitian Terdahulu Penelitian yang dilakukan oleh Kurniawan (2013) dengan judul Perilaku galian pada tanah lunak dengan perkuatan sheet pile pada kondisi drained dan undrained ditinjau dari berbagai pemodelan tanah Setelah dilakukan analisa dapat disimpulkan bahwa: II-18
Secara keseluruhan pada kondisi tegangan efektif, deformasi horizontal yang dihasilkan dengan menggunakan pemodelan tanah Hardening Soil pada kondisi efektif lebih besar dibandingkan dengan pemodelan tanah Mohr-Coulomb dan Soft Soil. II-19