Konferensi Nasional Teknik Sipil 3 (KoNTekS 3) Jakarta, 6 7 Mei 2009 PENGARUH PRAPEMBEBANAN TERHADAP KEKUATAN GESER TANAH LUNAK BERDASARKAN UJI TRIAXIAL TERKONSOLIDASI TERBATAS TAKTERDRAINASI Damrizal Damoerin, Widjojo A. Prakoso dan Definat Ghifari Departemen Teknik Sipil, Fakultas Teknik U. I. Kampus Baru UI Depok, 16424 Email : damrizal @ eng.ui.ac.id ABSTRAK Salah satu metode stabilisasi tanah adalah dengan memberikan beban awal sementara (prapembebanan) pada suatu lapisan tanah di lapangan yang diharapkan dapat meningkatkan kekuatan geser tanah dan mengurangi penurunan yang terjadi setelah tahap konstruksi. Pengujian di Laboratorium dilakukan untuk mensimulasikan kondisi di lapangan. Contoh tanah tidak terganggu yang digunakan untuk pengujian diambil dari daerah Bekasi. Pengujian Laboratorium terdiri dari uji sifat fisik (kadar air natural, berat jenis spesifik, batas atteberg dan analisa saringan burtir) dan sifat teknik (uji konsolidasi tanpa prapembebanan dan uji triaxial terkonsolidasi terbatas takterdrainasi dengan 2 siklus prapembebanan). Dari uji konsolidasi diperoleh nilai tekanan prakonsolidasi (P c ) dan ratio terkonsolidasi berlebih (OCR) tanah asli. Pada uji triaxial, mula-mula dilakukan tahap penjenuhan sampai nilai koeffisien B, mencapai 0,90. Kemudian pada tahap konsolidasi, dilakukan prapembebanan pertama sebesar 1,5 P c selama 4 jam, setelah itu tegangan sell dikembalikan sesuai dengan kondisi di lapangan selama 24 jam. Setelah itu selanjutnya dilakukan prapembebanan kedua sebesar 2,0 P c selama 4 jam, kemudian dilakukan pengurangan tegangan sell seperti semula selama 24 jam. Kemudian dilakukan uji triaxial pada contoh uji sampai regangan mencapai 18 %. Hasil pengujian menunjukkan adanya peningkatan kekuatan geser tanah. Kata kunci: triaxial, konsolidasi, prapembebanan, tegangan deviator, tekanan air pori, regangan, kekuatan geser 1. PENDAHULUAN Bangunan yang didirikan diatas tanah lunak harus mempunyai faktor keamanan yang memenuhi syarat terhadap keruntuhan geser dan penurunan yang terjadi tidak boleh melampaui batas yang diijinkan. Salah satu metode stabilisasi tanah di lapangan untuk meningkatkan kekuatan geser tanah dan mengurangi penurunan yang terjadi pada tahap konstruksi adalah dengan memberikan beban awal sementara (prapembebanan) pada suatu lapisan tanah. Chin et al. (2000) memberikan informasi yang rinci tentang perencanaan dan pengawasan pelaksanaan pra pembebanan dilapangan yang antara lain dikatakan bahwa pelaksanaan dilapangan pada umumnya dapat dilakukan dalam satu tahap atau beberapa tahap yang disertai dengan pemasangan vertical drain untuk mempercepat konsolidasi. Wardani SPR (2001), yang melakukan studi di laboratorium terhadap stabilisasi tanah lanau dengan semen dan abu terbang, memberikan prapembebanan terlebih dulu berupa beban siklik awal dan kemudian setelah itu diberikan beban siklik kedua, yang menunjukkan bahwa contoh uji menjadi sedikit lebih teguh dari sebelumnya. Sedangkan Bouferra et al. (2007), yang melakukan penelitian di laboratorium akibat beban siklik tak terdrainasi terhadap pasir yang terlebih dulu diberikan prapembebanan menunjukkan bahwa terdapat pengurangan tahanan pasir terhadap liquifaksi. Pengujian prapembebanan yang dilakukan di laboratorium adalah mencoba untuk mensimulasikan kondisi pemberian prapembebanan yang cepat di lapangan tanpa pemasangan vertical drain yang mana tanah dasar diperkuat terlebih dulu dengan menggunakan lapisan geosintetis. Pada pengujian triaksial terkonsolidasi terbatas tak terdrainasi, pemberian prapembebanan hanya dilakukan selama 4 jam, yang mana hasilnya kemudian dibandingkan dengan hasil pengujian triaksial takterkonsolidasi takterdrainasi tanpa prapembebanan, sebagaimana yang telah dilakukan oleh Inti (2003) Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta G - 33
Damrizal Damoerin, Widjojo A. Prakoso dan Definat Ghifari 2. PROSEDUR PENGUJIAN Pengujian dibagi dalam dua bagian yaitu pertama pengujian sifat fisik dan kedua pengujian sifat teknik. Selanjutnya pengujian sifat teknik terdiri dari dua bagian juga yaitu bagian pertama pengujian konsolidasi tanpa prapembebanan, yang menghasilkan nilai P c dan OCR, dan bagian kedua pengujian triaksial terkonsolidasi terbatas takterdrainasi dengan prapembebanan, yang menghasilkan nilai sudut geser dan kohesi tanah. Pengujian triaxial ini dinamakan pengujian triaksial terkonsolidasi terbatas takterdrainasi karena pemberian prapembebanan dilakukan dengan cepat selama 4 jam yang mana proses konsolidasi yang terjadi belum sepenuhnya selesai. Selama tahap konsolidasi diberikan prapembebanan sebanyak 2 kali. Adapun tahap pengujian triaxial ini dibagi dalam 3 bagian. Sebagai tahap pertama contoh uji dijenuhkan terlebih dulu hingga mencapai nilai koeffisien B 0,90. Selanjutnya pada tahap kedua dilakukan proses konsolidasi pada contoh uji yang dibagi dalam 2 bagian. Pada bagian pertama diberikan prapembebanan sebesar 1,5P c selama 4 jam dan selanjutkan diberikan tekanan sel seperti tegangan awal yang sesuai kondisi asli tanah yang didiamkan selama 24 jam (unloading). Setelah itu pada bagian kedua, contoh uji dikonsolidasikan lagi untuk kedua kalinya selama 4 jam dengan prapembabanan 2P c dan dilanjutkan unloading kembali selama 24 jam. Pada tahap ketiga dilakukan proses kompresi dengan kecepatan 0,1 %/menit sampai mencapai tegangan deviator maksimum dan kemudian dilanjutkan sampai regangan 18 %. 3. HASIL PENGUJIAN & ANALISIS Sifat fisik Hasil uji sifat fisik disajikan dalam Tabel 1. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa jenis tanah adalah lanau kelempungan dengan plastisitas tinggi. Tabel 1. Hasil uji sifat fisik No. Parameter sifat fisik Nilai 1 Kadar air natural 64% 2 Berat jenis (Gs) 2,639 3 Berat isi (gr/cm 3 ) 1,6 1,7 4 5 Atterberg limits Batas cair, w L (%) Batas plastis, w p (%) Indeks plastisitas, I p (%) Analisa butiran Pasir Lanau Lempung 84,137 38,190 46,127 10 71,69 18,31 Sifat teknik Pengujian konsolidasi Dari pengujian konsolidasi tanpa prapembebanan didapat nilai P c adalah 137 kpa dengan nilai rasio konsolidasi berlebih (OCR) adalah 13,564 sehingga tanah termasuk terkonsolidasi berlebih. Nilai P c ini selanjutnya digunakan pada pengujian Triaksial Terkonsolidasi Terbatas Takterdrainasi sebagai nilai beban konsolidasi prapembebanan sebesar 1,5P c dan 2P c. Pengujian triaxial terkonsolidasi terbatas takterdrainasi Berdasarkan hubungan tegangan deviator dengan regangan yang ditunjukkan pada Gambar 1, ketiga contoh uji mengalami tegangan deviator maksimum pada regangan yang relative cukup kecil yaitu sebesar ε < 3,3 %, hal ini menunjukkan bahwa contoh uji menjadi lebih teguh setelah mengalami prapembebanan, yang nilainya dapat dilihat pada Tabel 2. G - 34 Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Pengaruh Prapembebanan Terhadap Kekuatan Geser Tanah Lunak Berdasarkan Uji Triaxial Terkonsolidasi Terbatas Takterdrainasi Tabel 2. Nilai tegangan deviator dan regangan ε (%) q 50 2,46 78,643 60 2,81 86,829 70 3,16 89,919 Gambar 1. Grafik hubungan tegangan deviator dengan regangan Tekanan air pori Berdasarkan grafik hubungan antara tekanan air pori dan regangan pada Gambar 2, terlihat bahwa pada awalnya terjadi kenaikan tekanan air pori positif hingga regangan < 2 % yang kemudian secara bertahap berkurang hingga mencapai tegangan air pori negatif sampai regangan 18 %. Gambar 2. Grafik hubungan tekanan air pori dengan regangan Hal tersebut terjadi karena pada awalnya tekanan air pori ikut menahan tegangan yang bekerja pada tanah, yang kemudian mengecil pada saat tanah akan mencapai kondisi runtuh. Hal ini disebabkan karena butiran tanah tidak mampu lagi menahan beban yang bekerja sehingga terjadi retakan yang mengakibatkan kemudian air masuk ke dalam pori-pori contoh uji, sehingga tekanan air pori positif menurun dan kemudian menjadi negatif sampai regangan 18 %. Dari Tabel 3 dapat dilihat nilai tekanan air pori yang terjadi pada tegangan deviator maksimum Tabel 3. Nilai tegangan deviator maksimum, regangan & tekanan air pori σ 3 q ε (%) u 50 78,643 2,4614-5 60 86,829 2,8130-4 70 89,919 3,1646-6 Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta G - 35
Damrizal Damoerin, Widjojo A. Prakoso dan Definat Ghifari Lintasan kondisi kritis. Berdasarkan analisa lintasan kondisi kritis dengan p =[1/3(σ 1 + 2σ 3 )] = [1/3(σ 1 + 2 ) u)] dan q=(σ 1 ), disajikan hubungan antara tegangan deviator (q) dengan tegangan efektif (p ) pada Gambar 3. 100 y = 0,4555 x + 41,6512 Tegangan deviator 80 60 40 20 σ3 (50 kpa) σ3 (60 kpa) σ3 (70 kpa) 0 0 20 40 60 80 100 120 140 p' (kp a) Gambar 3. Grafik hubungan tegangan deviator (q) dengan tegangan efektif (p ) Dari Gambar 3, terlihat bahwa pada awalnya lintasan tegangan mengarah ke kiri namun kemudian mengarah ke kanan sampai mencapai keruntuhan, hal ini terjadi karena perubahan tekanan air pori dari positif ke negatif. Nilai q dan p pada saat kondisi kritis disajikan pada Tabel 4. Nilai kemiringan, M dan perpotongan dengan sumbu q yang menyatakan q 0 (nilai perkuatan awal tanah) disajikan pada Tabel 5. Tabel 4. Nilai p dan q pada saat kondisi kritis CU saturasi Preloading selama 4 jam 1,5P c dan 2P c p q 50 81,214 78,643 60 92,943 86,829 70 105,97 89,919 Tabel 5. Parameter M dan q 0 berdasarkan konsep kondisi kritis Parameter Nilai M 0,4555 q 0 41,6512 Nilai c dan φ Nilai parameter M dan q 0 pada Tabel 5, digunakan untuk menghitung kohesi (c ) dan sudut geser (φ ) tanah pada kondisi efektif dengan menggunakan persamaan berikut (Atkinson et al., 1982): 3xM 3 sinφ φ = sin ; c = q o 6 + M 6 sinφ Sehingga didapat φ =12,2205 o dan c = 20,0460 Parameter N, Γ, dan λ. Parameter ini didapatkan dari persamaan garis grafik hubungan volume spesifik (ν = 1 + e) dengan tegangan efektif (p ) pada Gambar 4, yang kemudian dibuat menjadi grafik volume spesifik dengan ln tegangan efektif (ln p ) pada Gambar 5, berikut ini: G - 36 Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Pengaruh Prapembebanan Terhadap Kekuatan Geser Tanah Lunak Berdasarkan Uji Triaxial Terkonsolidasi Terbatas Takterdrainasi Gambar 4. Grafik hubungan volume spesifik dengan tegangan efektif (p ) 2.6 2.5 2.4 v (ml) 2.3 2.2 2.1 y = 0,6458 x + 5,3616 (50 kpa) (60 kpa) CSL NCL (70 kpa) y = 0,6131 x + 4,8935 2 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 ln p' Gambar 5. Grafik hubungan volume spesifik terhadap ln tegangan efektif Dari grafik volume spesifik (v) terhadap ln tegangan efektif (ln p ) didapatkan garis Normal Consolidation Line (NCL) dengan persamaan v = N - λ ln p dan garis Critical State Line (CSL) dengan persamaan v = Γ - λ ln p sehingga dengan p = 1 kpa diperoleh nilai N, Γ, dan λ seperti ditunjukkan dalam tabel 6. Pada grafik tersebut letak garis NCL berada di sebelah kiri garis CSL. Hal ini terjadi karena adanya perubahan tekanan air pori positif menjadi negatif (Gambar 2) yang menunjukkan bahwa contoh uji yang mengalami prapembebanan berada dalam kondisi terkonsolidasi berlebih. Tabel 6. Parameter kemiringan dan volume spesifik Beban Parameter Prapembebanan kemiringan Volume Spesifik 1,5P c dan 2P c λ NCL N λ CSL Γ Nilai 0,6131 4,8935 0,6458 5,3616 Jika tekanan sell isotropik yang diberikan semakin besar, maka volume spesifiknya yang terjadi akan semakin kecil seperti terlihat pada Tabel 7 berikut ini: Tabel 7. Nilai p dan v pada saat kondisi kritis CU saturasi Prapembebanan selama 4 jam 1,5P c dan 2P c p v (ml) 50 81,214 2,495 60 92,943 2,392 70 105,97 2,289 Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta G - 37
Damrizal Damoerin, Widjojo A. Prakoso dan Definat Ghifari 4. PENGUJIAN PRAPEMBEBANAN & TANPA PEMBEBANAN Tegangan Deviator & Regangan Prapembebanan memberikan nilai tegangan deviator (q) yang lebih besar dan regangan dicapai menjadi lebih kecil bila dibandingkan dengan tanpa prapembebanan. Nilai ε dan q, akibat prapembebanan dan tanpa pembebanan dapat dilihat pada Tabel 8 berikut ini: Tabel 8. Nilai ε dan q UU Saturasi Tanpa Prapembebanan * CU saturasi Pembebanan selama 4 jam 1,5P c dan 2P c ε q (%) ε (%) q 40 3,48 42,38 50 2,46 78,64 50 3,83 43,66 60 2,81 86,83 60 4,18 45,29 70 3,16 89,92 *) (Inti, 2003) Sedangkan pada Tabel 9, diperlihatkan besaran kemiringan M dan nilai q 0, akibat prapembebanan dan tanpa pembebanan. Jenis Uji Tabel 9. Gradien M dan q 0 Prapembebanan Gradien M q 0 UU saturasi * - 0,075 17,426 CU terbatas (1,5P c +2P c ) 0,456 41,651 *) (Inti, 2003) Makin besar nilai M, menunjukkan bahwa tanah mempunyai kekuatan geser yang lebih besar, sedangkan makin besar nilai qo, menunjukkan tanah mempunyai prakonsolidasi yang lebih besar. Tekanan air pori Tanah yang mengalami prapembebanan akan mempunyai partikel tanah menjadi lebih rapat. Nilai tekanan air pori dan regangan akibat prapembebanan dan tanpa prapembebanan, disajikan pada tabel 10. Tabel 10. Nilai u dan ε UU Saturasi Tanpa Prapembebanan * (q u max) CU saturasi Prapembananan selama 4 jam 1,5P c dan 2P c (q u max) ε u (%) ε u (%) 40 3,48 11 50 2,46-5 50 3,83 12,5 60 2,81-4 60 4,18 13 70 3,16-6 *) (Inti, 2003) G - 38 Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta
Pengaruh Prapembebanan Terhadap Kekuatan Geser Tanah Lunak Berdasarkan Uji Triaxial Terkonsolidasi Terbatas Takterdrainasi Kekuatan geser Tanah yang telah mengalami prapembebanan akan mempunyai nilai kompresibiltas yang kecil dan mempunyai partikel-partikel tanah menjadi lebih rapat sehingga nilai c dan φ meningkat. Nilai parameter kekuatan geser akibat prapembananan dan tanpa pembebanan, disajikan pada Tabel 11 sebagai berikut: Tabel 11. Parameter kekuatan geser Jenis Tanah c φ σ f τ f 40 20,45 UU Saturasi * (tanpa 17,47 4,28 50 21.21 prapembebanan) 60 21.96 CU Saturasi Critical State 50 30,89 Prapembebanan 60 33,06 selama 4 jam 1,5P c 20,06 12,22 dan 2P c 70 35,22 *) (Inti, 2003) Dari hasil diatas terlihat bahwa parameter kekuatan geser (c dan φ ) meningkat akibat pengaruh prapembebanan. 5. KESIMPULAN Pengaruh prapembebanan dengan waktu konsolidasi terbatas selama 4 jam pada pengujian triaxial terkonsolidasi terbatas takterdrainasi, menghasilkan kesimpulan sebagai berikut: Meningkatnya nilai φ cukup besar dan nilai c tidak terlalu besar. Tegangan deviator maksimum yang dihasilkan meningkat sebesar 85 % sampai 101 %. Terjadi tekanan air pori positif pada regangan sampai sekitar 2% dan setelah itu sampai regangan 18 % terjadi tekanan air pori negatif.. Parameter M yang diperoleh meningkat sangat besar dari 0,075 menjadi 0,456. Ucapan terima kasih Ucapan terima kasih disampaikan kepada Jurusan Sipil Fakultas Teknik U.I., yang telah membantu memberikan dana untuk penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Atkinson, J.H., and Bransby, P.L. (1982). The mechanics of soils. McGraw Hill Book Company (U.K.) Ltd.. Bishop, A.W. and Henkel, D. J. (1982). The measurement of soil properties in the triaxial test. Edward Arnold Ltd., London. Bouferra, R., Benseddiq, N. And Shahrour, I. (2007). Saturation and preloading effects on the cyclic behavior of sand. International Journal of Geomechanics, ASCE, Vol. 7 No.5, pp. 396 401. Bowless, J.E. (1979), Physical and geotechnical properties of soils. McGraw-Hill, Inc., USA. Chin, T.Y. and Sew, G.S. (2000). Design and construction control of embankment over soft cohesive soils. SOGISC- Seminar on Ground Improvement-Soft Clay. Craig, R.F. (1987), Mekanika tanah (1989). Terjemahan Budi Susilo Soepandji dari Soil Mechanics, Fouth Edition (1987), Erlangga, Jakarta. Das, B. M. (1985), Mekanika Tanah (Prinsip-Prinsip Rekayasa geotekni - Jilid I, 1994). Terjemahan Noor Endah dan Indrasurya B. Mochtar dari Principles of Geotechnical Engineering (1985), Erlangga, Jakarta. Head, K.H. (1982), Manual of soil laboratory testing volume 3, Pentech Press, Plymouth, London. Holtz, R.D. and Kovacs. W.D. (1981), An introduction to geotechnical engineering. Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J. Inti, D. (2003), Pengaruh penjenuhan dan tanpa penjenuhan terhadap kekuatan geser tanah dengan uji triaksial tak terkonsolidasi tak terdrainasi, Skripsi FTUI, Depok. Jurusan Sipil FTUI (2004). Laporan akhir project grant, Depok. Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta G - 39
Damrizal Damoerin, Widjojo A. Prakoso dan Definat Ghifari Laboratorium Mekanika Tanah FTUI (2001), Laporan akhir penyelidikan tanah proyek bangunan gedung sekolah pondok pesantren An-Nur Pondok Ungu - Bekasi, Depok. Wardani, SPR. (2001). Deformation behaviour of cemented soil under undrained cyclic loading. Prosiding Seminar PIT Geoteknik HATTI, Bandung. G - 40 Universitas Pelita Harapan Universitas Atma Jaya Yogyakarta