Rekaracana Teknik Sipil Itenas No.x Vol. xx Jurnal Online Institut Teknologi Nasional Januari 2015 Pengaruh Kedalaman PVD Pada Analisis Konsolidasi Dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga MARRILYN ARISMAWATI 1, IKHYA 2 1 Mahasiswa, Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional 2 Dosen, Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional Email: mey.marrilyn@gmail.com ABSTRAK Tanah lunak yang memiliki permeabilitas rendah, kadar air yang tinggi, dan kompresibilitas yang besar membutuhkan waktu yang lama untuk menyelesaikan konsolidasi. Dengan digunakannya preloading dan vertical drain, waktu yang dibutuhkan untuk konsolidasi menjadi semakin singkat. Tujuan Penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh kedalaman PVD pada analisis konsolidasi dengan menggunakan program PLAXIS 2D. Adapun kedalaman PVD yang digunakan yaitu full penetration dengan kedalaman 12 m, dan floating PVD dengan kedalaman 10,8 m, 9,6 m, 8,4 m, 7,2 m, dan 6 m. Dari setiap kedalaman PVD kemudian dilakukan analisis menggunakan program PLAXIS 2D sehingga didapatkan waktu penurunan tanah yang efisien. Dari hasil yang diperoleh pemasangan PVD dengan floating PVD dapat dilakukan untuk tanah homogen dengan double drainase dan dapat dilakukan untuk tanah berlapis bila tanah lapis II nya adalah tanah dengan permeabilitas tinggi. Kata Kunci: preloading, vertical drain, full penetration, floating PVD, PLAXIS 2D. ABSTRACT Soft soil has low permeability, high water content, and a large compressibility takes a long time to complete the consolidation. With the use of preloading and vertical drain, the time required for consolidation became shorter. The purpose of this study is to investigate the influence of the depth of PVD in the consolidated analysis using PLAXIS 2D program. The depth PVD used is full penetration to a depth of 12 m, and floating PVD to a depth of 10.8 m, 9.6 m, 8.4 m, 7.2 m, and 6 m. From every depth of PVD then performed the analysis using PLAXIS 2D program to obtain time-efficient land subsidence. From the results obtained with floating PVD installation can be done for homogeneous soil with double drainage and can be done for a layered soil when soil layer II is soil with high permeability. Keywords: preloading, vertical drain, full penetration, floating PVD, PLAXIS 2D. Rekaracana - 1
Marrilyn Arismawati, Ikhya 1. PENDAHULUAN Dalam struktur bangunan, tanah merupakan bagian terpenting karena kebanyakan bangunan bertumpu pada lapis tanah. Dari berbagai jenis tanah, tanah lunak membutuhkan waktu yang lama untuk menyelesaikan konsolidasi. Dengan digunakannya preloading dan vertical drain, waktu yang dibutuhkan untuk konsolidasi pun menjadi semakin singkat. Untuk mengetahui pengaruh kedalaman PVD terhadap analisis konsolidasi antara floating PVD dan full penetration adalah dengan menggunakan program PLAXIS 2D sehingga dapat mengetahui waktu penurunan tanah yang efisien. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Konsolidasi Konsolidasi adalah proses terperasnya air tanah akibat bekerjanya beban, yang terjadi sebagai fungsi waktu karena kecilnya permeabilitas tanah. Proses ini berlangsung terus sampai kelebihan tekanan air pori yang disebabkan kenaikan total telah hilang. Konsolidasi radial terjadi dalam situasi-situasi yang melibatkan drainase, seperti pada suatu vertical drain yang dipakai di bawah timbunan untuk mempercepat pengeluaran air pori dengan mengurangi jarak drainase yang karena itu juga sehingga mempercepat konsolidasi. C h = C v k h... (1) k v T h = C ht (2) d e 2 Keterangan: C h = koefisien konsolidasi arah horizontal C v = koefisien konsolidasi arah vertikal T h = faktor waktu konsolidasi horizontal k v = koefisien permeabilitas arah vertikal k h = koefisien permeabilitas arah horizontal d e = diameter ekivalen area yang terganggu Gambar 1. Penyelesaian Konsolidasi Radial a (Sumber : Craig, 1989) Pernyataan untuk T h memberikan gambaran bahwa semakin rapat (dekat) jarak antar drainase, semakin cepat proses konsolidasi akibat pengaliran radial. Penyelesaian untuk persamaan radial (Perloff dan Barron, 1976), diberikan pada Gambar 1 Hubungan Ur/Th tergantung pada rasio n = R/rd dimana R merupakan jari-jari blok silinder ekivalen dan rd jari-jari drainase vertikal terebut. Selain itu, dapat dinyatakan bahwa: U = 1 (1 U v )(1 U r ) Rekaracana - 2
Pengaruh Kedalaman PVD Pada Analisis Konsolidasi Dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga 2.2 Pembebanan Awal (Preloading) Pembebanan awal (preloading) adalah suatu metode konstruksi perbaikan tanah berupa pemampatan timbunan pada lokasi yang akan distabilisasi dengan berat sekurang-kurangnya sama dengan berat struktur di masa akan datang (beban permanen) dan akan dibuang pada saat konsolidasi yang diinginkan telah tercapai. 2.3 Vertical Drain Vertical drain merupakan jalur drainase buatan yang dimasukkan kedalam lapisan lempung. Dengan kombinasi preloading, air pori diperas keluar selama konsolidasi dan mengalir lebih cepat pada arah horizontal daripada arah vertikal. Selanjutnya, air pori tersebut mengalir sepanjang jalur drainase vertikal yang telah diinstalasi (Chai, 1999). Salah satu jenis drainase cetakan adalah Prefabricated vertical drain (PVD). Terdapat dua cara dalam pemasangan PVD yaitu floating PVD dan Full penetration. Gambar 2 merupakan ilustrasi floating PVD dan full penetration. Gambar 2. Perbandingan antara Full Penetration dan Floating PVD 2.4 Program PLAXIS 2D Plaxis adalah salah satu program aplikasi komputer yang menghitung konsolidasi. Kondisi di lapangan yang disimulasikan ke dalam program PLAXIS ini bertujuan untuk mengimplementasikan tahapan pelaksanaan di lapangan ke dalam tahapan pengerjaan pada program, dengan harapan pelaksanaan di lapangan dapat didekati sedekat mungkin pada program (Brinkgreve, 2014). Bentuk Pemodelan disajikan pada Gambar 3. (a) (b) Gambar 3. Pemodelan: (a) Secara Plane Strain, (b) Pemodelan Secara Axisymmetric (Sumber : Manual PLAXIS 2D AE, 2014) 2.5 Pemodelan Tanah Hardening Soil (HS) model merupakan advanced model yang dapat digunakan untuk memodelkan berbagai jenis perilaku tanah dan batuan. Dalam HS model terdapat tiga Rekaracana - 3
Marrilyn Arismawati, Ikhya parameter kekakuan yang berbeda untuk menjelaskan hubungan hiperbolik kurva teganganregangan. Ketiga parameter tersebut adalah : ref c cos φ σ E 50 = E 50 3 sin φ c cos φ p ref sin φ m... (3) ref c cos φ σ E ur = E ur 3 sin φ c cos φ p ref sin φ m... (4) ref c cos φ σ E oed = E oed 3 sin φ c cos φ p ref sin φ m (5) dimana m merupakan nilai tahanan tegangan. Untuk membuat nilai pemampatan yang logaritmik, nilai kekuatannya yang harus digunakan sebesar 1.0 Selanjutnya nilai m yang digunakan sebesar 0.5 < m < 1.0 (Brinkgreve, 2014). Parameter-parameter yang digunakan dalam HS model yaitu sudut geser, kohesi, sudut dilatansi, poisson s ratio untuk pelepasan dan pembebanan kembali v ur, tegangan referensi bagi kekakuan p ref dan nilai Ko untuk tanah yang terkonsolidasi secara normal. 3. METODE PENELITIAN Metode untuk penelitian ini di perlihatkan pada Gambar 4. Mulai A B Identifikasi Masalah Floating Penetration Full Penetration Waktu dan Besar Penurunan Studi Pustaka Pemodelan FEM - Axisymmetric Kedalaman 50% (6 m) Kedalaman 60% (7,2 m) Kedalaman 70% (8,4 m) Kedalaman 80% (9,6 m) Kedalaman 90% (10,8 m) Analisis Preloading dan Vertical Drain Analisis Preloading Sistem Drainase - Single - double Sistem Drainase - Single - double Sistem Drainase - Single - double A B Waktu dan Besar Penurunan Waktu dan Besar Penurunan Waktu dan Besar Penurunan Pembahasan Hasil Selesai Gambar 4. Prosedur Kerja Penelitian Pada penelitian ini, lapis tanah akan dimodelkan dengan 4 jenis yaitu, lapis tanah homogen dengan jenis tanah lunak, lapis tanah homogen dengan jenis tanah medium, lapis tanah berlapis dengan jenis tanah lunak berada diatas tanah medium, dan lapis tanah berlapis Rekaracana - 4
Pengaruh Kedalaman PVD Pada Analisis Konsolidasi Dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga dengan jenis tanah medium berada diatas tanah lunak. Model tanah disajikan pada Gambar 5. Model tersebut dimodelkan dengan 2 sistem drainase, yaitu single drainage dan double drainage. Parameter tanah yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 1. (a) (b) (c) Gambar 5. Geometri Tanah : (a) Tanah Homogen, (b) Tanah Berlapis Model I, (c) Tanah Berlapis Model II Tabel 1. Parameter tanah dan timbunan ref ref =Eeod Ketebalan Jenis Tanah γ unat / γ sat E 50 E ur m (power ) c ref φ' v ur P ref nc K 0 R f k h = k v m kn/m² kn/m² kn/m² - kn/m² º - kn/m³ - - m/s Sangat lunak 12 15/16 1000 3000 0,9 12 24 0,2 100 0,59 0,9 1,90E-09 Medium 12 17/18 3000 9000 0,7 1 28 0,2 100 0,53 0,9 5,00E-09 Timbunan 4 18/20 20000 60000 0,5 10 30 0,2 100 0,5 0,9 1,00E-07 Parameter-parameter PVD yang digunakan yaitu: 1. Dimensi PVD : 100 mm x 4 mm 2. Jarak antar PVD (S) : 1,5 m 3. Kedalaman instalasi Full penetration : 12 m Floating penetration : 10,8 m, 9,6 m, 8,4 m, 7,2 m, dan 6 m 4. Diameter mandrel (d m ) : 120 mm 5. Jarak efektif (d e ) : 1,575 m 6. Diameter PVD ekivalen (d w ) : 66,2 mm 7. Diameter daerah smear (d s ) : 360 mm ref Perubahan permeabilitas akan terjadi pada analisis yang memperhitungkan daerah smear. Untuk pemodelan axisymmetric perhitungan daerah smear dilakukan dengan persamaan: k h /k s =2 k s = 0,5k h k s1 =0,5 1,9E 9 =0,95E 9 m/s (lunak) k s2 =0,5 5,0E 9 =2,5E 9 m/s (Medium) Tahapan kalkulasi timbunan dan konsolidasi dalam PLAXIS pada pemodelan dengan kondisi tanah homogen lunak, tanah homogen medium, dan tanah berlapis akan disajikan pada Tabel 2. Rekaracana - 5
Marrilyn Arismawati, Ikhya Tabel 2. Tahapan Kalkulasi dalam PLAXIS No. Tahapan Pekerjaan Hari 1 Initial Phase - 2 PVD + Smear Installation 3 3 4 m Embankment (+4,0 m) 2 4 Consolidation 136 4. HASIL PEMODELAN DAN ANALISIS 4.1 Analisis Konsolidasi Pada Tanah Homogen Dengan Kondisi Double Drainase Hasil pemodelan tanah homogen lunak dengan kondisi double drainase akan disajikan pada Gambar 6 dan hasil pemodelan double drainase pada Tabel 3 dan Tabel 4. Gambar 6. Grafik Derajat Konsolidasi Pada Tanah Homogen Lunak dengan Double Drainase Tabel 3. Nilai Hasil Pemodelan Tanah Lunak (Double drainase) Penurunan (m) -1,02-1,02-1,03-1,03-1,03-1,03-1,03 Waktu (hari) 298 298 377 774 1407 2211 8603 Tabel 4. Nilai Pemodelan Tanah Lunak dengan PVD+Smear (Double Drainase) Penurunan (m) -1,02-1,02-1,02-1,03-1,03-1,03 Waktu (hari) 475 475 478 815 1489 2289 Selanjutnya hasil pemodelan tanah homogen medium dengan kondisi double drainase akan disajikan pada Gambar 7 dan hasil pemodelan pada Tabel 5 dan Tabel 6. Tabel 5. Nilai Hasil Pemodelan untuk Tanah Medium (Double Drainase) Penurunan (m) -0,39-0,39-0,39-0,39-0,39-0,39-0,39 Waktu (hari) 19 19 21 27 34 52 295 Rekaracana - 6
Pengaruh Kedalaman PVD Pada Analisis Konsolidasi Dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga Tabel 6. Nilai Pemodelan Tanah Medium dengan PVD+Smear (Double Drainase) Penurunan (m) -0,39-0,39-0,39-0,39-0,39-0,39 Waktu (hari) 28 28 30 35 44 64 Gambar 7. Grafik Derajat Konsolidasi Pada Tanah Homogen Medium dengan Double drainase Dengan kondisi demikian, dapat dikatakan bahwa untuk tanah lunak dengan kondisi double drainase pemasangan PVD dengan floating PVD pada kedalaman 80% dari tanah dasar lebih ekonomis daripada pemasangan PVD dengan kedalaman penuh (full penetration). Untuk tanah medium pada kondisi double drainase waktu yang dibutuhkan hingga 90% konsolidasi dengan pemasangan PVD full penetration dan floating PVD kedalaman 10,8 m menghasilkan waktu yang sama sehingga sama dengan tanah lunak pemasangan yang ekonomis adalah dengan kedalaman 80%. 4.2 Analisis Konsolidasi Pada Tanah Homogen Dengan Kondisi Single Drainase Hasil pemodelan tanah homogen lunak dengan kondisi single drainase akan disajikan pada Gambar 8. Hasil pemodelan single drainase pada Tabel 7 dan Tabel 8. Hasil pemodelan double drainase pada Tabel 9 dan Tabel 10. Gambar 8. Grafik Derajat Konsolidasi Pada Tanah Homogen Lunak dengan Single Drainase Rekaracana - 7
Marrilyn Arismawati, Ikhya Tabel 7. Nilai Hasil Pemodelan untuk Tanah Lunak (Single Drainase) Penurunan (m) -1,03-1,03-1,03-1,03-1,03-1,03-1,03 Waktu (hari) 299 616 2041 3940 7739 8532 34004 Tabel 8. Nilai Pemodelan Tanah Lunak dengan PVD+Smear (Single Drainase) Penurunan (m) -1,03-1,03-1,03-1,03-1,03-1,03 Waktu (hari) 478 815 2162 4195 8359 8852 Selanjutnya hasil pemodelan tanah homogen medium dengan kondisi single drainase akan disajikan pada Gambar 9 dan hasil pemodelan pada Tabel 9 dan Tabel 10. Gambar 9. Grafik Derajat Konsolidasi Pada Tanah Homogen Medium dengan Single Drainase Tabel 9. Nilai Hasil Pemodelan untuk Tanah Medium (Single Drainase) Penurunan (m) -0,39-0,39-0,39-0,39-0,39-0,39-0,39 Waktu (hari) 19 22 28 54 105 190 1014 Tabel 10. Nilai Pemodelan Tanah Medium dengan PVD+Smear (Single Drainase) Penurunan (m) -0,39-0,39-0,39-0,39-0,39-0,39 Waktu (hari) 29 32 41 69 138 200 Dari grafik dapat dilihat bahwa waktu yang dibutuhkan hingga 90% konsolidasi untuk tanah homogen lunak pada kondisi single drainase pemasangan PVD full penetration menghasilkan waktu yang paling singkat. Namun untuk lebih ekonomis dapat dipasang dengan kedalaman 90%. Sama hal nya dengan tanah medium pemasangan PVD yang ekonomis adalah dengan memasang pada kedalaman 90%. 4.3 Analisis Konsolidasi Pada Tanah Berlapis Model I Hasil pemodelan tanah berlapis model I (tanah lunak berada diatas tanah medium) dengan kondisi single dan double drainase akan disajikan pada Gambar 10. Hasil pemodelan single drainase dengan PVD pada Tabel 11 dan dengan PVD + Smear pada Tabel 12. Hasil pemodelan double drainase dengan PVD pada Tabel 13 dan dengan PVD + Smear Tabel 14. Rekaracana - 8
Pengaruh Kedalaman PVD Pada Analisis Konsolidasi Dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga Tabel 11. Nilai Hasil Pemodelan untuk Tanah Berlapis Model I (Single Drainase) Penurunan (m) -0,75-0,75-0,75-0,75-0,75-0,75-0,75 Waktu (hari) 106 106 108 120 146 228 4371 Gambar 10. Grafik Derajat Konsolidasi Pada Tanah Berlapis Model I Tabel 12. Nilai Pemodelan Tanah Berlapis Model I dengan PVD+Smear (Single Drainase) Penurunan (m) -0,75-0,75-0,75-0,75-0,75-0,75 Waktu (hari) 151 151 151 170 197 340 Tabel 13. Nilai Hasil Pemodelan untuk Tanah Berlapis Model I (Double Drainase) Penurunan (m) -0,75-0,75-0,75-0,75-0,75-0,75-0,75 Waktu (hari) 106 106 106 106 115 140 1192 Tabel 14. Nilai Pemodelan Tanah Berlapis Model I dengan PVD+Smear (Double Drainase) Penurunan (m) -0,75-0,75-0,75-0,75-0,75-0,75 Waktu (hari) 151 151 151 152 162 192 Rekaracana - 9
Marrilyn Arismawati, Ikhya Dari grafik dapat dilihat bahwa waktu yang dibutuhkan hingga 90% konsolidasi untuk tanah berlapis model I pada kondisi single drainase antara full penetration 12 m dan floating PVD 10,8 m adalah sama. Dari hasil tersebut, dapat disimpulkan bahwa untuk kondisi tanah berlapis model I dengan single drainase pemasangan yang paling ekonomis adalah dengan floating PVD dengan batas kedalaman 70% dari tanah dasar. Sehingga dapat menghemat 30% dibanding pemasangan dengan full penetration. Pada tanah berlapis model I kondisi double drainase waktu yang dibutuhkan hingga 90% konsolidasi pemasangan PVD dapat dipasang dengan floating PVD dengan hanya 60% dari kedalaman tanah. 4.4 Analisis Konsolidasi Pada Tanah Berlapis Model II Hasil pemodelan tanah berlapis model I akan disajikan pada Gambar 11. Hasil pemodelan single drainase dengan PVD pada Tabel 15 dan dengan PVD + Smear pada Tabel 16. Hasil pemodelan double drainase dengan PVD pada Tabel 17 dan dengan PVD + Smear Tabel 18. Tabel 15. Nilai Hasil Pemodelan untuk Tanah Berlapis Model II (Single Drainase) Penurunan (m) -0,65-0,65-0,65-0,65-0,65-0,65-0,65 Waktu (hari) 80 116 250 600 1200 1600 3970 Tabel 16. Nilai Pemodelan Tanah Berlapis Model II dengan PVD+Smear (Single Drainase) Penurunan (m) -0,65-0,65-0,65-0,65-0,65-0,65 Waktu (hari) 125 165 320 709 1300 1750 Gambar 11. Grafik Derajat Konsolidasi Pada Tanah Berlapis Model II Rekaracana - 10
Pengaruh Kedalaman PVD Pada Analisis Konsolidasi Dengan Menggunakan Metode Elemen Hingga Tabel 17. Nilai Hasil Pemodelan untuk Tanah Berlapis Model II (Double Drainase) Penurunan (m) -0,65-0,65-0,65-0,65-0,65-0,65-0,65 Waktu (hari) 65 70 100 170 273 400 920 Tabel 18. Nilai Pemodelan Tanah Berlapis Model I dengan PVD+Smear (Double Drainase) Penurunan (m) -0,65-0,65-0,65-0,65-0,65-0,65 Waktu (hari) 110 115 146 206 310 420 Waktu yang dibutuhkan hingga 90% konsolidasi untuk tanah berlapis (model II) pada kondisi single drainase pemasangan PVD dengan full penetration 12 m adalah yang paling cepat. Selisih waktu antara full penetration dengan floating PVD 10,8 m, 9,6 m, 8,4 m, 7,2 m dan 6 m terlalu jauh. Pada kondisi double drainase waktu yang dibutuhkan hingga 90% konsolidasi dengan pemasangan PVD full penetration 12 m adalah yang paling singkat. Selebihnya bila dibandingkan dengan floating PVD kedalaman 10,8 m, 9,6 m, 8,4 m, 7,2 m dan 6 m selisih waktu yang didapat terlalu jauh. 5. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat diambil berdasarkan hasil analisis-analisis yang telah dilakukan adalah sebagai berikut: 1. Pemasangan PVD untuk kondisi tanah yang homogen, jenis tanah tidak berpengaruh dalam mendapatkan waktu yang paling ekonomis. Selama kondisi drainase nya adalah double drainase baik untuk tanah lunak atau medium maka pemasangan PVD dapat dipasang dengan floating PVD dengan kedalaman hanya 80% dari kedalaman tanah. 2. Pemasangan PVD bila kondisi drainasenya adalah single drainase, baik pada tanah lunak maupun tanah medium dapat lebih ekonomis dipasangan dengan floating PVD 90% dari kedalaman tanah. Sehingga dapat menghemat 10% dibanding pemasangan PVD dengan full penetration. 3. Untuk tanah homogen yang paling berpengaruh dalam mendapatkan waktu yang paling ekonomis dalam pemasangan PVD adalah kondisi drainase nya yaitu single drainase atau double drainase, sehingga jenis tanah tidak berpengaruh untuk kondisi floating PVD. 4. Pemasangan PVD untuk tanah berlapis model I yaitu tanah lunak berada diatas tanah medium dapat dilakukan dengan floating PVD pada kedalaman 70% dari tanah dasar untuk single drainase, sedangkan bila kondisi double drainase pemasangan PVD yang paling ekonomis adalah dengan floating PVD 60%. 5. Untuk tanah berlapis model II yaitu tanah lunak berada dibawah tanah medium, pemasangan PVD tidak dapat dilakukan dengan floating PVD baik kondisi single drainase maupun double drainase. Karena waktu yang dibutuhkan menjadi lebih lama bila pemasangan PVD dilakukan dengan floating PVD. 6. Dapat disimpulkan bahwa untuk melakukan floating PVD pada tanah berlapis yang paling berpengaruh adalah tanah dibawahnya. Karena dengan melakukan floating PVD, PVD diletakan mengambang ditanah yang berada dilapis tanah II. Bila tanah lapis II nya adalah tanah medium yaitu permeabilitas yang besar maka memungkinkan untuk Rekaracana - 11
Marrilyn Arismawati, Ikhya dilakukan floating PVD. Namun bila tanah lapis II adalah tanah lunak yaitu permeabilitasnya kecil maka floating PVD tidak dapat dilakukan. Pada kondisi ini double drainase dan single drainase tidak terlalu berpengaruh. 7. Efek smear pada PVD mempengaruhi waktu konsolidasi, karena perhitungan efek smear memperkecil koefisien permeabilitas tanah. Dengan demikian waktu yang diperoleh pada kondisi tanpa memperhitungkan efek smear lebih cepat dibandingkan dengan memasukan efek smear dalam perhitungan. Namun efek smear tidak berpengaruh untuk kondisi floating PVD. DAFTAR RUJUKAN Brinkgreve, R. B. J. (2014). Manual PLAXIS 2D AE. Netherlands: Plaxis bv Chai, J.C., Miura, N. (1999). Investigation of factors affecting vertical drain behavior. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. Bangkok: Asian Institute of Technology Craig, R. F., S. (1989). MEKANIKA TANAH. Edisi 4. Terjemahan Budi Susilo Penerbit Erlangga, Jakarta. Perloff, H.W., Baron, W. (1976). Soil Mecanics principles and Application. New York: Ronald presscompany. Rekaracana - 12