Reka Racana Jurnal Online Institut Teknologi Nasional Teknik Sipil Itenas No.x Vol. Xx Agustus 215 Analisis Kapasitas Daya Dukung Pondasi Dangkal Pada Tanah Jenuh Sebagian NURCAHYANA, AGUNG 1., HAMDHAN, INDRA N 1 1) Mahasiswa, Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional 2) Dosen, JurusanTeknik Sipil, Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan Institut Teknologi Nasional Email : agung.nurcahyana@yahoo.com ABSTRAK Pondasi yang menopang beban struktur tidak pernah lepas dari kapasitas daya dukung tanah dibawahnya. Tanah jenuh sebagian merupakan tanah yang sering ditemui dilapangan, pada tanah kondisi tersebut terdapat tekanan pori negatif yang meningkatkan kapasitas daya dukung tanah. hasil analisis ini membuktikan bahwa tidak hanya ukuran dimensi pondasi saja yang mempengaruhi nilai kapasitas daya dukung tapi kedalaman muka air tanah pun mempengaruhi kapasitas daya dukung akibat tekanan pori negatif. Tekanan pori negatif dipengaruhi juga oleh persentase derajat kejenuhan, ketika terjadi infiltrasi air akibat hujan derajat kejenuhan akan meningkat dan tekanan air pori akan berkurang sehingga konstribusi dalam kapasitas daya dukung akan berkurang. Tekanan pori negatif dipengaruhi juga oleh parameter hidraulik tanah seperti permeabilitas tanah, semakin besar permeabilitas suatu tanah akan semakin kecil pula tekanan pori negatif, sehingga pada tanah dengan permeabilitas tinggi pengaruh tekanan pori negatif sangat kecil sekali, dibandingkan dengan tanah permeabilitas rendah. Kata Kunci : tekanan pori negatif, kapasitas daya dukung, jenuh sebagian ABSTRACT Foundation that sustains the load of structure should never be separated from the bearing capacity of subsoil. Partially saturated soil is often encountered in the field, on the ground that the conditions are negative pore pressures which increase the soil bearing capacity. The results of this analysis demonstrate that not only the size dimensions are affecting the foundation bearing capacity value also the depth of the ground water level affect the carrying capacity due to negative pore pressures. Negative pore pressure are also influenced by percentage of degree of saturation, when the infiltration of rain water due to the degree of saturation increases and pore water pressure will be reduced so that the contribution in carrying capacity will be reduced. Negative pore pressure are also affected by soil hydraulic parameters such as soil permeability, the greater the permeability of the soil will be the smaller is the negative pore pressure, therefore, the effect of soil with high permeability is small due to influencing the negative pore pressure, compared to the low permeability soil. Keywords: negative pore pressure, bearing capacity, finite element method, partially saturated RekaRacana - 1
Nurcahyana, Agung. Hamdhan, Indra Noer 1. PENDAHULUAN Pondasi merupakan dasar dari bangunan sipil baik itu jembatan, mau pun gedung. Kekuatan daya dukung pondasi yang menopang struktur bangunan sipil tidak pernah lepas dari kekuatan daya dukung tanah dibawahnya. Dilapangan terdapat tiga jenis tanah menurut kondisinya yaitu, tanah kering (dry soil), tanah jenuh (saturated soil) dan tanah jenuh sebagian (unsaturated soil / partial saturated soil). Tanah jenuh sebagian terdiri dari tiga fase elemen yaitu fase udara, fase air dan fase butir tanah. Hubungan antar fase-fase tersebut pada pori tanah menyebabkan gaya kapiler atau gaya tarik pada permukaan air pori yang menahan air untuk merembes kedalam tanah (suction) sehingga menambah kapasitas daya dukung tanah tesebut. Gaya kapiler pada pori tanah akan meningkat seiring dengan penguapan atau pengeringan pada tanah dan sebaliknya gaya ini akan berkurang ketika terjadi infiltrasi atau rembesan air kedalam tanah ketika hujan. Pondasi bangunan khususnya pondasi dangkal biasanya terletak pada tanah jenuh sebagian sehingga analisis pada pondasi dangkal sangat dipengaruhi oleh jenis tanah dasar dan intensitas rembesan air hujan kedalam tanah. Oleh karena itu diperlukan analisis pondasi pada tanah jenuh sebagian (partially saturated) dengan jenis tanah yang berbeda-beda dimana setiap jenis tanah memiliki pengaruh yang beragam pada daya dukung dan deformasi tanah.. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pondasi Dangkal Pondasi merupakan bagian yang penting pada bangunan. Fungsi utamanya adalah untuk meneruskan beban dari struktur bangunan ketanah. Pondasi dangkal adalah pondasi yang tidak membutuhkan galian tanah terlalu dalam karena lapisan tanah dangkal sudah cukup keras, apalagi bangunan yang akan dibangun hanya rumah sederhana. Kekuatan pondasi dangkal ada pada luas alasnya, karena pondasi ini berfungsi untuk meneruskan sekaligus meratakan beban yang diterima oleh tanah. Pondasi dangkal ini digunakan apabila beban yang diteruskan ketanah tidak terlalu besar. 2.2 Kapasitas Daya Dukung Pondasi Dangkal Secara umum, yang dinamakan pondasi dangkal adalah pondasi yang memiliki perbandingan antara kedalaman dengan lebar sekitar kurang dari empat, apabila lebih besar maka pondasi tersebut tegolong pada pondasi dalam. Untuk mengihtung kapasitas daya dukung pondasi dangkal terdapat beberapa teori yang dapat digunakan yaitu : 1. Teori kapasitas daya dukung Terzaghi (1943) Analisis kapasitas daya dukung menurut Terzaghi di dasarkan kondisi keruntuhan general dengan asumsi-asumsi berikut : - Menghilangkan tahanan geser tanah di atas bidang horizontal yang melewati pondasi - Tahanan geser tersebut digantikan oleh beban sebesar q,.... (1) Keterangan : = Tekanan = Berat Jenis Tanah = Kedalam pondassi dangkal dari dalam tanah D f RekaRacana - 2
Analisis Kapasitas Daya Dukung Pondasi Dangkal Pada Tanah Jenuh Sebagian - Membagi distribusi tegangan dibawah pondasi menjadi tiga bagian yaitu zona elastis, zona radial, dan zona geser linier. - Total tekanan pasif (Pp) terdiri dari tiga komponen pembentuk, yang masingmasing dapat dihitung sendiri-sendiri, kemudian ketiga komponen tersebut ditambahkan meskipun permukaan kritis masing-masing komponen tidak sama. Menurut Terzaghi suatu pondasi dangkal ditentukan dari : Keterangan : B = Lebar pondasi D f = Kedalaman pondasi dangkal III II I II III Gambar 1. Analisis distribusi tegangan dibawah pondasi menurut Terzaghi. Zona I adalah bagian yang tertekan ke bawah dan menghasilkan suatu keseimbangan plastis dalam bentuk zona segitiga dibawaah pondasi dengan sudut,. Gerakan bagian tanah tersebut mendorong tanah ke samping. Zona II disebut radial shear zone (zona geser radial) dengan lurva AB dan AC yang bekerja pada busur spiral logaritma denga pusat ujung pondasi. Zona III disebut zona pasif Rankine merupakan bidang longsor yang beban geser diatas bidang horizontalnya tidak ada dan digantikan dengan beban sebesar q. Dengan cara superposisi, maka diperoleh persamaan daya dukung Terzaghi: (2) Keterangan : qu C Nc, Nq,Nγ B = Daya dukung ultimate = Kohesi Tanah = faktor daya dukung Terzaghi = Diameter pondasi 2.3` Tekanan Air Pori Negatif Tekanan air pori negative atau penghisapan (suction) adalah tekanan yang terjadi oleh gaya kapiler atau gaya tarik pada permukaan air akibat hubungan rongga (pori) pada butir tanah yang menyerupai pipa yang sangat halus sehingga menahan air pada tanah untuk tidak terus merembes jauh kedalam tanah. tekanan air pori hanya terjadi pada tanah jenuh sebagian dan dipengaruhi tingkat kadar air dalam tanah, permeabilitas tanah, ukuran butir tanah dan faktor lingkungan termasuk penguapan (evaporasi), rembesan (infiltrasi) akibat hujan dan tinggi muka air tanah seperti pada gambar berikut. RekaRacana - 3
Nurcahyana, Agung. Hamdhan, Indra Noer Gambar 2. Pengaruh infiltrasi dan evaporasi pada tekanan air pori tanah (after Fredlund,1996). 2.4 Kuat Geser Tanah Kekuatan geser (shear strength) tanah merupakan gaya tahanan internal yang bekerja per satuan luas masa tanah untuk menahan keruntuhan atau kegagalan sepanjang bidang runtuh dalam masa tanah tersebut. Pemahaman terhadap proses dari perlawanan geser sangat diperlukan untuk analisis stabilitas tanah seperti kuat dukung, stabilitas lereng, tekanan tanah lateral pada struktur penahan tanah. Pada tanah jenuh dan kering perhitungan tegangan efektif biasanya menggunakan rumus dari teori tegangan efektif Terzaghi:......(5). Namun untuk tanah jenuh sebagian volume pori antar butir tidak seluruhnya jenuh atau pun kering, sehingga dari hasil percobaan Bishop (1959) menyajikan suatu persamaan untuk tanah jenuh sebagian:.(6) Keterangan : σ = tegangan efektif σ = tegangan total u a = tekanan pori udara u w = tekanan pori air Dalam persamaan diatas, χ merupakan bagian dari luasan penampang melintang yang ditempati oleh air. Untuk tanah kering χ = dan untuk tanah jenuh air, χ = 1. Bishop, Alpan, Blight, dan Donal telah menunjukkan bahwa harga tengah dari χ adalah tergantung pada derajat kejenuhan (S) tanah. Tetapi harga tersebut juga dipengaruhi oleh faktor-faktor lain seperti struktur tanah, yang harus diketahui adalah sifatsifat ketahanan pergeseran tanah. RekaRacana - 4
Analisis Kapasitas Daya Dukung Pondasi Dangkal Pada Tanah Jenuh Sebagian 3. ANALISIS DATA 3.1 Pengumpulan Data Data-data yang digunakan untuk tugas akhir ini diperoleh dari hasil studi pustaka penulis dan hasil coba-coba (trial and error), hingga mendapatkan parameter tanah yang sesuai dengan yang direncanakan yaitu lempung kaku (stiff clay) dan pasir padat (dense sand), selain itu data untuk parameter hidraulik tanah digunakan data dari USDA series dengan model Van Genucthen. 3.2 Pemodelan Geometri Pondasi dan Tanah Analisis kapasitas daya dukung pondasi dangkal pada tanah jenuh sebagian dilakukan dengan memodelkan pondasi dan tanah pada program PLAXIS 2D AE dengan lebar dan kedalaman pondasi berturut-turut 1 meter kemudian tanah dasar dikondisikan jenuh sebagian dan variasi intensitas hujan diberikan. Bagan alir dalam salah satu analisa Tugas Akhir ini dapat dilihat pada Gambar 3. RekaRacana - 5
Nurcahyana, Agung. Hamdhan, Indra Noer A Analisis Kapasitas Daya Dukung Pembahasan Kesimpulan Selesai Gambar 3. Bagan Alir Pemodelan Penentuan parameter tanah dilakukan dengan cara coba-coba (trial and error) pada program Plaxis dengan batasan sifat tanah yang telah ditentukan yaitu tanah lempung kaku (Stiff Clay) dan pasir padat (Dense Sand) hingga tanah tersebut dapat dihitung dalam software Plaxis 2D dalam kondisi jenuh sebagian (partially saturated) seperti tercantum pada Tabel 1. Tabel 1. Data Parameter Tanah Jenis Tanah Pasir Padat Lempung Kaku γ unsat 19 kn/m 3 18 kn/m 3 γ sat 2 kn/m 3 2 kn/m 3 E 5 kn/m 2 3 kn/m 2 c.5 kn/m 2 5 kn/m 2 ϕ 38 o 5 o ψ 8 o o ᵥ.3.33 Data hujan diambil dari pos hujan terdekat, yaitu pos hujan Cisomang-Purwakarta dan data hujan yang diperoleh merupakan data curah hujan harian (m/hari). Dari data hujan yang diperoleh, digunakan data curah hujan harian pada bulan Desember 214 yang terhitung dari tanggal 19 sampai dengan tanggal 25, karena dianggap paling variatif seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2. Data Curah Hujan Harian Cisomang-Purwakatra, 19-25 Desember 214 Curah Hujan Hari ke- (m/hari) 1.43 2.121 3.67 4.14 5.171 6.18 7.288 RekaRacana - 6
Beban (kn) Beban (kn) Analisis Kapasitas Daya Dukung Pondasi Dangkal Pada Tanah Jenuh Sebagian 3.2 Analisis Kapasitas Daya Dukung 1) Kondisi Hujan Konstan Analisis dilakukan dengan memberikan hujan secara konstan sebesar.365 m/hari selama 7 hari berturut, kemudian pondasi diberi beban 1 kn untuk mendapatkan kapasitas daya dukungnya. Hasil analisis kapasitas daya dukung pondasi pada tanah lempung ditunjukan pada Gambar 4, pada gambar tersebut terlihat adanya penurunan kapasitas daya dukung akibat infiltrasi air hujan setiap harinya. 25 2 15 1 5 Hari ke-5 Hari ke-7 5 1 15 2 25 3 Penurunan (mm) Gambar 4. Grafik kapasitas daya dukung pada lempung kaku jenuh sebagian terhadap intensitas hujan konstan. Untuk hasil analisis kapasitas daya dukung pondasi pada tanah pasir padat dapat dilihat pada Gambar 5, pada grafik tersebut terlihat nilai kapasitas daya dukung mengalami penurunan yang sangat kecil setiap harinya, ini membuktikan bahwa pada tanah pasir suction memiliki kontribusi yang sangat kecil terhadap peningkatan kapasitas daya dukung. 25 2 Batas Toleransi Penurunan 35 mm 15 1 5 Hari ke-5 5 1 15 2 25 3 35 4 Penurunan (mm) Gambar 5. Grafik kapasitas daya dukung pada pasir padat jenuh sebagian terhadap intensitas hujan konstan. RekaRacana - 7
Nurcahyana, Agung. Hamdhan, Indra Noer Gambar 6. Diagram degree of saturation dan suction pada tanah lempung kaku jenuh sebagian setelah terjadi hujan tiap harinya. Gambar 7. Diagram degree of saturation dan suction pada tanah pasir padat jenuh sebagian setelah terjadi hujan konstan selama 7 hari. RekaRacana - 8
Beban (kn) Analisis Kapasitas Daya Dukung Pondasi Dangkal Pada Tanah Jenuh Sebagian Depth (m) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Stiff Clay Fase Awal 5 4 3 2 Hari ke-5 1 Hari ke-7 5 1 Suction (kn/m 2 ) Depth (m) 1 9 8 7 6 Dense Sand Fase Awal hari ke-5 Hari ke-7 5 1 Suction (kn/m 2 ) Gambar 8 Grafik perubahan matric suction pada saat terjadi hujan konstan selama 7 hari pada tanah lempung kaku dan pasir padat. 2) Kondisi Hujan Fluktuatif Analisis pada kondisi hujan fluktuatif dilakukan dengan memberikan hujan secara fluktuatif sebesar curah hujan yang tercantum pada Tabel 2 selama 7 hari berturut, kemudian pondasi diberi beban 1 kn untuk mendapatkan kapasitas daya dukungnya. Hasil analisis kapasitas daya dukung pondasi pada tanah lempung ditunjukan pada Gambar 9, pada gambar tersebut terlihat adanya penurunan kapasitas daya dukung akibat infiltrasi air hujan setiap harinya. 25 2 15 1 5 Hari ke-5 Hari ke-7 5 1 15 2 25 3 Penurunan (mm) Gambar 9. Grafik kapasitas daya dukung pada lempung kaku jenuh sebagian terhadap intensitas hujan fluktuatif. RekaRacana - 9
Beban (kn) Nurcahyana, Agung. Hamdhan, Indra Noer Untuk hasil analisis kapasitas daya dukung pondasi pada tanah pasir padat dapat dilihat pada Gambar 1, pada grafik tersebut terlihat nilai kapasitas daya dukung mengalami penurunan yang sangat kecil setiap harinya, ini membuktikan bahwa pada tanah pasir suction memiliki kontribusi yang sangat kecil terhadap peningkatan kapasitas daya dukung. Hal ini juga disebabkan karena pasir memiliki permeabilitas yang sangat tinggi sehingga air akan cepat merembes kedalam tanah 25 Batas Toleransi Penurunan 35 mm 2 15 1 5 5 1 15 2 25 3 35 4 Penurunan (mm) Hari ke-5 Gambar 1. Grafik kapasitas daya dukung pada pasir padat jenuh sebagian terhadap intensitas hujan fluktuatif. Gambar 11. Diagram degree of saturation dan suction pada tanah lempung kaku jenuh sebagian setelah terjadi hujan fluktuatif tiap harinya. RekaRacana - 1
Depth (m) Depth (m) Analisis Kapasitas Daya Dukung Pondasi Dangkal Pada Tanah Jenuh Sebagian Gambar 12. Diagram degree of saturation dan suction pada tanah pasir padat jenuh sebagian setelah terjadi hujan fluktuatif tiap harinya. 1 9 8 7 6 6 5 Fase Awal Fase Awal 5 4 4 3 3 2 Hari ke-5 2 Hari ke-5 1 Stiff Clay 1 Dense Sand Hari ke-7 Hari ke-7 5 1 5 1 Suction (kn/m 2 ) Degree of saturation (%) Gambar 8 Grafik perubahan matric suction pada saat terjadi hujan fluktuatif selama 7 hari pada tanah lempung kaku dan pasir padat. 1 9 8 7 RekaRacana - 11
Nurcahyana, Agung. Hamdhan, Indra Noer 3.3 Hasil Analisis Dari hasil analisis dapat dilihat bahwa nilai kapasitas daya dukung pondasi dangkal dengan kondisi hujan konstan dan fluktuatif selama 7 hari memiliki nilai yang beragam. Dari kurva kapasitas daya dukung tersebut terlihat bahwa nilai kapasitas daya dukung akan cenderung menurun dengan bertambahnya kuantitas rembesan air kedalam tanah, yang menyebabkan meningkatkan degree of saturation tanah di bawah permukaan tanah, sehingga tekanan pori negatif akan sedikit demi sedikit akan berkurang hingga tidak bisa berkontribusi dalam meningkatkan kapasitas daya dukung tanah. 4 KESIMPULAN Setelah dilakukan analisis dengan memperhitungkan pengaruh intesitas hujan terhadap kapasitas daya dukung pondasi dangkal pada tanah jenuh sebagian dapat disimpulkan. 1. Terjadi penurunan nilai kapasitas daya dukung pada tanah lempung kaku dengan semakin lamanya durasi hujan akibat permeabilitas tanah lempung yang rendah sehingga penambahan kapasitas daya dukung akibat tekanan pori negatif menurun sedangkan pada tanah pasir padat hampir tidak ada penurunan kapasitas daya dukung karena permeabilitasnya yang tinggi sehingga pengaruh tekanan pori negatif sangat kecil. 2. Semakin lama durasi hujan semakin besar nilai degree of saturation diatas permukaan air akibat meningkatnya infiltrasi air hujan sehingga menyebabkan menurunnya tekanan air pori negatif karena pori pori tanah jenuh dengan air. DAFTAR RUJUKAN Abed, A., A.& Vermeer, P.,.A. (26). Foundation Analyses With Unsaturated Soil Model For Different Suction Profile. Numerical Method in Geotechnical Engieneering- Schweiger : 547-554. Bowles, J., E. (1984). Sifat-Sifat Fisis Dan Geoteknis Tanah Edisi Kedua. Erlangga. Jakarta Das, B., M. (1995). Mekanika Tanah Jilid 2. Erlangga. Jakarta. Mitchell, J., K, (1992), Fundamentals of Soil Behavior. University of California Berkeley. Wesley, L.,D. (21). Mekanika Tanah Untuk Tanah Endapan dan Residu. Penerbit Andi. Yogyakarta. RekaRacana - 12