Reka Racana Teknik Sipil Itenas No.x Vol. xx Jurnal Online Institut Teknologi Nasional Agustus 2014 Pemodelan 3D Pada Stabilitas Lereng Dengan Perkuatan Tiang Menggunakan Metode Elemen Hingga PUTRA, GILANG J 1., HAMDHAN, INDRA N 2. 1 Mahasiswa Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil Dan Perencanaan (Institut Teknologi Nasional) 2 Dosen Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Sipil Dan Perencanaan (Institut Teknologi Nasional) Email:gilangjabarizkiputra@yahoo.com ABSTRAK Analisis stabilitas lereng dengan tiang dilakukan berdasarkan metode elemen hingga dengan bantuan program Plaxis 3D 2013. Lereng dimodelkan dalam kondisi jenuh air. Parameter tanah hasil analisis stabilitas lereng tanpa perkuatan yang menghasilkan SF < 1,25 merupakan parameter tanah yang akan digunakan pada semua analisis stabilitas lereng dengan perkuatan, perolehan data parameter ini dilakukan dengan cara coba-coba menggunakan program Plaxis 3D 2013. Penelitian ini dilakukan untuk menentukan perkuatan tiang yang aman dan efisien pada lereng yaitu posisi, jumlah, kedalaman, dan jarak antar tiangnya. Dari hasil analisis stabilitas lereng menggunakan program Plaxis 3D 2013 pada kondisi lereng jenuh air dengan perkuatan tiang dapat disimpulkan bahwa kondisi perkuatan tiang yang aman dan efisien berada dekat dengan kaki lereng yaitu dengan jarak horisontal 4 meter sebelum kaki lereng, jarak antar tiang sejauh 4 meter, jumlah tiang sebanyak tiga tiang, dengan kedalaman masing-masing tiang sedalam 12 meter. Kata Kunci : metode elemen hingga, perkuatan tiang, plaxis, stabilitas lereng. ABSTRACT Plaxis 3D 2013 software used to analyze slope stability by finite element method. Slope modeled in saturated conditions. Parameters of soil slope stability analysis results without reinforcement that produces SF <1.25 is a soil parameters to be used in all slope stability analysis with reinforcement, the parameters is done by trial and error using the Plaxis 3D 2013 program. This research was conducted to determine the safe and efficient conditions of pile reinforcement on the slope, covering is the position, total, depth, distance between the pile.from the analysis of slope stabilization using Plaxis 3D 2013 software on the condition of saturated slope with pile reinforcement can be concluded that the safe and efficient conditions of pile reinforcement located near the foot of the slopes with the horisontal distance 4 meters before the foot of the slopes, the distance between the pile as 4 meters, total of pile as three piles, with pile depths as 12 meters. Keywords: finite element method, pile reinforcement, plaxis, slope stability Reka Racana-1
Putra, Gilang J., Hamdhan, Indra N. 1. PENDAHULUAN Kelongsoran pada lereng seringkali terjadi, maka dari itu perlu dilakukan upaya pencegahan ataupun penanganan untuk meminimalkan kemungkinan terjadinya kelongsoran pada lereng. Salah satu upaya untuk menangani masalah tersebut dengan menggunakan perkuatan tiang pada lereng (Departemen Pekerjaan Umum, 1987). Dalam perencanaan struktur perkuatan diperlukan analisis stabilitas lereng untuk meminimalisasi kemungkinan terjadinya kelongsoran yaitu dengan memperhitungkan ketidakpastian dengan parameter tanah serta geometri pada lereng untuk mendapatkan nilai safety factor (SF) yang aman. Untuk melakukan analisis perkuatan dengan tiang pada umumnya menggunakan metode elemen hingga dengan pemodelan 2D, namun pemodelan 2D seringkali tidak mewakili asumsi kondisi perkuatan dan kondisi geometri aslinya, oleh karena itu agar pemodelan dapat lebih mewakili kondisi aslinya, pemodelan dilakukan dalam bentuk 3D (Albataineh, 2006). Dalam pemodelan 3D dapat memperhitungkan pengaruh soil arching terhadap nilai stabilitas lereng, sehingga analisis stabilitas dapat lebih akurat (Hosseinian, S., & Seifabad, M. C., 2013). Berdasarkan hal tersebut, penulis tertarik untuk membahas pengaruh perkuatan tiang dan menentukan kondisi perkuatan tiang yang aman dan efisien terhadap lereng yang dimodelkan, dimana lereng dimodelkan dalam kondisi jenuh air, karena kondisi jenuh air merupakan kondisi yang paling kritis, karena tegangan efektif menurun akibat tekanan air pori, sehingga menyebabkan kuat geser tanah menurun dan dapat menyebabkan lereng kritis atau tidak aman (Bowles, 1984), serta mengetahui hasil analisis stabilitas lereng dengan perkuatan tiang. Penelitian perkuatan tiang pada lereng ini menggunakan metode elemen hingga dengan bantuan program Plaxis 3D 2013. 2. METODE PENELITIAN Langkah pertama, yaitu tahapan mengumpulkan bahan materi yang akan digunakan untuk melakukan penelitian dan merumuskan masalah yang akan terjadi pada penelitian tersebut. Dalam menganalisis perkuatan tiang terhadap stabilitas lereng, diperlukan data parameter tanah lereng tersebut yang ditentukan dengan cara coba-coba (trial and error), dimana parameter tanah dan kondisi lereng tersebut menghasilkan kondisi lereng yang tidak aman ataupun kritis, yaitu nilai safety factor (SF) yang dihasilkan lebih kecil dari 1,25. Data yang dikumpulkan adalah data asumsi, yaitu data parameter tanah yang telah ditentukan sebelumnya, kondisi lereng yang akan dimodelkan, dan parameter tiang yang digunakan sebagai perkuatan. Pemodelan lereng dilakukan sesuai dengan data yang diasumsikan. Secara keseluruhan pemodelan dilakukan dalam bentuk 3D. Kondisi perkuatan yang akan digunakan pada analisis menggunakan kondisi perkuatan tiang aman dan efisien, dimana selain memberikan nilai safety factor yang aman, tetapi juga efisien terhadap waktu dan biaya. Kondisi perkuatan tiang aman dan efisien ditentukan dalam empat tahap, yaitu penentuan posisi optimal tiang, penentuan jarak efisien antar tiang, penentuan jumlah efisien tiang, dan penentuan kedalaman efisien tiang. Untuk mengetahui pengaruh muka air tanah terhadap posisi optimal tiang maka dilakukan juga analisis posisi optimal tiang terhadap lereng dengan empat kondisi muka air tanah (MAT) yang berbeda-beda. Keempat tahapan untuk memperoleh kondisi tiang yang paling optimal ini diterapkan pada lereng yang paling kritis, yaitu pada saat lereng jenuh air yang akan dianalisis sebelumnya. Hasil dari penentuan kondisi tiang yang aman dan efisien ini yang akan digunakan sebagai hasil akhir dari penelitian analisis perkuatan lereng yang dilakukan. Untuk lebih jelasnya tahapan penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1 di bawah ini. Reka Racana-2
Pemodelan 3D Pada Stabilitas Lereng Dengan Perkuatan Tiang Menggunakan Metode Elemen Hingga Gambar 1. Bagan alir penelitian Reka Racana-3
Putra, Gilang J., Hamdhan, Indra N. Lereng dimodelkan dengan kemiringan yang telah ditentukan, yaitu dengan kemiringan lereng 1V : 2H dengan kondisi jenuh air. Lereng yang dimodelkan memiliki tinggi 10 meter dengan lebar lereng sepanjang 20 meter. Pemodelan lereng disajikan pada Gambar 2. Muka air tanah (MAT) Gambar 2. Pemodelan lereng 3. ANALISIS DAN PEMBAHASAN Setelah dilakukan coba-coba (trial and error) pada program Plaxis dengan jenis mesh yang berbeda-beda, didapatkan parameter tanah yang tidak aman pada lereng dalam kondisi paling kritis (jenuh air), seperti yang disajikan pada Tabel 1. Tabel 1. Parameter Tanah Parameter Name Value Unit Material model Model Mohr-Coulomb - Type of material behavior Type Drained - Soil unit weight above phreatic level unsat 18 kn/m³ Soil unit weight below phreatic level sat 20 kn/m³ Young's modulus (constant) E 7500 kn/m² Poisson' ratio ʋ 0,35 - Cohesion (constant) c 25 kn/m² Friction angle ϕ 15 ⁰ Dilatancy angle Ψ 0 ⁰ Pengaruh jenis mesh terhadap jumlah elemendannilai safety factor lereng jenuh air disajikan pada Tabel 2. Tabel 2. Nilai Safety Factor Lereng Jenuh Air Berdasarkan Jenis Mesh Jenis Mesh Jumlah Elemen Safety Factor Very Coarse 519 1,345 Coarse 1211 1,289 Medium 4295 1,243 Fine 10874 1,231 Very Fine 35788 1,209 Tanah yang dianalisis diasumsikan merupakan tanah homogen dengan jenis tanah lempung kepasiran. Parameter tanah ini yang akan digunakan untuk seluruh analisis pada penelitian yang akan dilakukan. Dari hasil analisis kestabilan lereng dengan menggunakan Plaxis 3D dengan jenis mesh yang digunakan adalah very fine diperoleh nilai safety factor pada lereng Reka Racana-4
Pemodelan 3D Pada Stabilitas Lereng Dengan Perkuatan Tiang Menggunakan Metode Elemen Hingga kondisi jenuh air sebesar 1,209. Very fine mesh merupakan jenis mesh yang tingkat ketelitian paling tinggi, dan menghasilkan nilai safety factor paling rendah, oleh karena itu very fine mesh dipilih untuk seluruh analisis yang akan dilakukan. Adapun bidang longsor yang terjadi setelah dilakukan analisis pada lereng jenuh air disajikan pada Gambar 3. Gambar 3. Bidang kelongsoran lereng jenuh air Bidang longsor terdalam yang terjadi berdasarkan hasil analisis yaitu terletak pada jarak horisontal 14 meter dari puncak lereng dengan kedalaman 11,5 meter dari puncak lereng dengan bentuk jenis kelongsoran rotasi dengan mekanisme kelongsoran toe failure. Pada analisis stabilitas lereng ini menggunakan tiang sebagai perkuatannya. Tiang yang digunakan sebagai perkuatan terbuat dari beton berbentuk lingkaran dimana tiang tersebut merupakan tiang tunggal. Tipe pemodelan tiang yang digunakan pada Plaxis adalah embedded pile row. Adapun parameter tiang yang digunakan adalah sebagai berikut : E (elastisitas beton) = 3,3 x 10 6 kn/m 2 γ ( berat jenis beton) = 24 kn/m 3 D ( diameter tiang) = 0.8 m Penentuan kedalaman tiang ditentukan harus dibawah bidang longsoran terdalam, dimana kedalaman bidang longsoran sedalam 11,5 meter dari puncak lereng, oleh karena itu penulis menentukan kedalaman tiang sedalam 13 meter dan jarak antar tiang ditentukan sepanjang 2 kali diameter tiang yaitu sejauh 1,6 meter. Posisi tiang ditentukan dengan interval 2 meter dimulai dari puncak lereng sampai kaki lereng, sehingga posisi tiang akan dicoba-coba pada jarak horisontal 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 meter dari puncak lereng. Lokasi penempatan perkuatan tiang disajikan pada Gambar 4. Jumlah tiang disesuaikan dengan lebar lereng, dimana tiang dipasang satu baris dari tepi ke tepi. Untuk mengetahui apakah muka air tanah (MAT) mempengaruhi posisi tiang optimal, maka dilakukan juga analisis pada lereng dengan empat kondisi kedalaman muka air tanah, yaitu sedalam 0 meter, 5 meter, 10 meter dari puncak lereng dan dikondisikan juga pada lereng tidak jenuh. Posisi muka air tanah disajikan pada Gambar 5. Reka Racana-5
Putra, Gilang J., Hamdhan, Indra N. Gambar 4. Posisi perkuatan tiang Gambar 5. Posisi muka air tanah (MAT) Rekapitulasi nilai safety factor berdasarkan posisi tiang dan kedalaman muka air tanah disajikan pada Tabel 3 dan pada Gambar 6. Tabel 3. Nilai Safety Factor Lereng Setelah Diperkuat Dengan Tiang Pada Posisi Tertentu Posisi Horisontal Tiang Dari Puncak Lereng (m) % Jarak Safety Factor (SF) MAT 1 MAT 2 MAT 3 Tidak Jenuh 0 0 1,266 1,542 1,811 2,007 2 10 1,274 1,547 1,816 2,015 4 20 1,290 1,544 1,822 2,018 6 30 1,301 1,564 1,837 2,022 8 40 1,306 1,555 1,832 2,027 10 50 1,310 1,577 1,861 2,033 12 60 1,333 1,584 1,864 2,037 14 70 1,366 1,603 1,876 2,107 16 80 1,399 1,637 1,897 2,157 18 90 1,342 1,643 1,909 2,008 20 100 1,241 1,540 1,859 1,895 Safety Factor 2.200 2.000 1.800 1.600 1.400 1.200 0 20 40 60 80 100 Persentase Jarak Tiang (%) MAT 1 MAT 2 MAT 3 Tidak Jenuh Gambar 6. Grafik hubungan posisi tiang dengan nilai safety factor Dari hasil analisis menunjukkan bahwa muka air tanah mempengaruhi posisi optimal tiang pada kondisi lereng tersebut, hal ini ditunjukkan oleh nilai safety factor terbesar berada pada posisi yang berbeda, namun pada umumnya posisi optimal perkuatan tiang pada Reka Racana-6
Pemodelan 3D Pada Stabilitas Lereng Dengan Perkuatan Tiang Menggunakan Metode Elemen Hingga seluruh kondisi muka ar tanah berada dekat dengan kaki lereng, yaitu pada posisi S = 80% dan 90% jarak horisontal dari puncak lereng. Nilai safety factor maksimal pada kondisi kritis (lereng jenuh air) yang dihasilkan pada posisi S = 80% jarak horisontal dari puncak lereng adalah sebesar 1,399. Posisi optimal tiang ini yang akan digunakan untuk tahap analisis selanjutnya. Penentuan jarak efisien antar tiang ini dilakukan pada posisi tiang S = 80% jarak horisontal dari puncak lereng dengan kedalaman tiang 13 meter dan jumlah tiang disesuaikan dengan lebar lereng, dimana tiang dipasang satu baris dari tepi ke tepi. Jarak antar tiang ditentukan sepanjang D, 2D, 3D, 4D, dan 5D, dimana D adalah diameter tiang yang digunakan. Hubungan jarak antar tiang dengan nilai safety factor disajikan pada Tabel 4 dan pengaruh jarak antar tiang terhadap lengkungan tanah (soil arching) disajikan pada Gambar 7. Tabel 4. Nilai Safety Factor Setelah Diperkuat Tiang Dengan Jarak Antar Tiang Tertentu Jarak Antar Tiang Safety Factor D 1,407 2D 1,399 3D 1,380 4D 1,365 5D 1,355 Gambar 7. Soil arching akibat jarak antar tiang. Dari hasil analisis diatas, dapat disimpulkan bahwa semakin jauh jarak antar tiang maka nilai faktor kemanan lereng akan semakin kecil, untuk lebih efisien dipilih jarak antar tiang dengan jarak yang paling jauh, yaitu 5D. Semakin jauh jarak antar tiang maka semakin sedikit jumlah tiang yang akan digunakan. Pemasangan tiang dengan jarak antar tiang berjarak 5D ini menggunakan 5 buah tiang pada lereng selebar 20 meter yang dipasang dari tepi ke tepi. Berdasarkan hasil analisis dan bentuk soil arching yang disajikan pada Gambar 8 dapat disimpulkan bahwa semakin dekat jarak antar tiang maka lengkung tanah (soil arching) yang terbentuk semakin kecil, karena displacemen tanah arah x semakin tertambat oleh tanah yang berada diantara tiang, karena tanah diantara tiang mengalami tegangan yang diakibatkan tekanan tiang-tiang disekitarnya, maka dari itu nilai safety factor semakin besar. Tahap penentuan jumlah efisien tiang ini dilakukan pada tiang yang dipasang pada posisi S = 80% jarak horisontal dari puncak lereng dengan jarak antar tiang berjarak 5D dan kedalaman tiang sedalam 13 meter, untuk mengetahui jumlah efisien tiang, maka dilakukan Reka Racana-7
Putra, Gilang J., Hamdhan, Indra N. juga analisis pada lereng dengan jumlah perkuatan 3 dan 4 buah tiang. Hubungan jumlah tiang dengan nilai safety factor disajikan pada Tabel 5. Tabel 5. Nilai Safety Factor Setelah Diperkuat Tiang Dengan Jumlah Tiang Tertentu Jumlah Tiang Safety Factor 3 1,330 4 1,350 5 1,355 Berdasarkan hasil analisis stabiliasi lereng setelah diperkuat tiang dengan jumlah tertentu, maka dapat disimpulkan bahwa semakin banyak jumlah tiang, maka nilai safety factor semakin besar. Berdasarkan hasil analisis dipilih perkuatan tiang dengan jumlah efisien sejumlah tiga tiang, karena dalam segi pelaksanaan akan lebih cepat dan ekonomis. Penentuan kedalaman tiang ini dilakukan pada tiang yang dipasang pada posisi S = 80% jarak horisontal dari puncak lereng dan jarak antar tiang berjarak 5D dengan jumlah 3 buah tiang. Kedalaman tiang akan dicoba-coba dengan beberapa kedalaman, dimana kedalaman tiang tersebut melebihi kedalaman bidang longsor. Hubungan kedalaman tiang dengan nilai safety factor disajikan pada Tabel 6. Tabel 6. Nilai Safety Factor Setelah Diperkuat Tiang Dengan Kedalaman Tiang Tertentu Kedalaman Tiang (m) Safety Factor 12 1,323 13 1,330 14 1,350 15 1,370 Dari hasil analisis stabiliasi lereng setelah diperkuat tiang dengan kedalaman tertentu, dapat disimpulkan bahwa semakin dalam tiang maka semakin besar nilai stabilitas lereng tersebut. Berdasarkan hasil analisis tersebut, dipilih perkuatan tiang dengan kedalaman 12 meter, karena dalam segi pelaksanaan akan lebih cepat dan ekonomis. Dari hasil analisis yang telah dilakukan pada lereng jenuh air secara bertahap, didapat kondisi perkuatan tiang yang aman dan efisien, yaitu : Posisi optimal tiang : S = 80% jarak horisontal dari puncak lereng (jarak horisontal 16 m dari puncak lereng) Jarak efisien antar tiang : 5D = 4 meter Jumlah efisien tiang : 3 buah Kedalaman efisien tiang : 12 meter Safety factor : 1,323 Pemodelan kondisi perkuatan tiang yang aman dan efisien pada lereng dan bidang longsor yang dihasilkan disajikan pada Gambar 8 dan Gambar 9. Reka Racana-8
Pemodelan 3D Pada Stabilitas Lereng Dengan Perkuatan Tiang Menggunakan Metode Elemen Hingga Gambar 8.Kondisi perkuatan tiang aman dan efisien pada lereng Gambar 9.Bidang longsor akibat kondisi perkuatan tiang aman dan efisien pada lereng Perbandingan hasil dilakukan dengan memodelkan lereng dalam bentuk 2D dengan mengunakan Plaxis 2D Anniversary Edition (AE) dihasilkan nilai safety factor pada kondisi sebelum perkuatan adalah 1,17 dan setelah diberikan perkuatan menjadi 1,277. Hasil perbandingan antara analisis pemodelan 2D dan 3D disajikan pada Tabel 7. Tabel 7. Hasil Perbandingan Antara Analisis Pemodelan 2D dan 3D Analisis Safety Factor Tanpa Perkuatan Diberikan Perkuatan 2D 1,170 1,277 3D 1,209 1,323 Nilai safety factor yang dihasilkan berdasarkan analisis 2D lebih kecil jika dibandingkan dengan nilai safety factor hasil analisis 3D, hal ini dikarenakan Plaxis 2D dalam melakukan analisis lebih konservatif, yaitu hanya menganalisis dari satu sisi saja (arah x dan y), sehingga ketelitian posisi dan pengaruh konfigurasi tiang, serta gaya dan tegangan lebih rendah jika dibandingkan dengan pemodelan 3D, serta pada pemodelan 2D tidak terdapat pengaruh soil arching akibat jarak antar tiang terhadap nilai safety factor. 4. KESIMPULAN Setelah dilakukan analisis stabilitas lereng pada lereng dengan perkuatan tiang dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Jenis kelongsoran yang terjadi pada lereng jenuh air sebelum diberikan perkuatan merupakan longsoran rotasi dengan mekanisme toe failure. 2. Jenis very fine mesh merupakan jenis mesh dengan tingkat ketelitian yang paling tinggi dan menghasilkan nilai safety factor paling rendahjika dibandingkan dengan jenis mesh lainnya. 3. Kedalaman muka air tanah mempengaruhi posisi optimal tiang pada kondisi lereng yang dimodelkan. 4. Semakin dekat jarak antar tiang, maka lengkung tanah (soil arching) yang terbentuk akan semakin kecil dan dapat menaikkan kekuatan geser tanah, sehingga nilai safety factor semakin besar. 5. Pada umumnya nilai safety factor terbesar berdasarkan posisi perkuatan tiang dengan berbagai kondisi muka air tanah berada dekat dengan kaki lereng, yaitu pada S = 80% dan 90% jarak horisontal dari puncak lereng. Reka Racana-9
Putra, Gilang J., Hamdhan, Indra N. 6. Nilai safety factor yang dihasilkan analisis 2D lebih kecil bila dibandingkan dengan hasil analisis 3D, karena pemodelan 2D lebih konservatif. 7. Berdasarkan hasil analisis stabilitas lereng sebelum diperkuat tiang, nilai safety factor diperoleh sebesar 1,209 dan setelah diperkuat tiang sebesar 1,323, dimana perkuatan tiang yang aman dan paling efisien berada pada S = 80% jarak horisontal dari puncak lereng, dengan jarak antar tiang (as ke as) 4 meter, dan jumlah 3 buah tiang dengan kedalaman masing-masing tiang 12 meter. DAFTAR PUSTAKA Albataineh, N. (2006). Slope Stability Analysis Using 2D and 3D Methods.University of Akron. Bowles, J. E. (1984). Sifat-Sifat Fisis Dan Geoteknis Tanah Edisi Kedua. Jakarta: Erlangga. Departemen Pekerjaan Umum. (1987). Petunjuk Perencanaan Penanggulangan Longsoran. Jakarta : Yayasan Penerbit PU. Hosseinian, S., & Seifabad, M. C. (2013). Optimization the Distance Between Piles in Supporting Structure Using Soil Arching Effect. Mining Department : Isfahan University Of Tech (IUT). Reka Racana-10