MAKALAH GEOTEKNIK KUAT GESER TANAH
Disusun oleh: Retno A. Siahaan
21100114120007 21100114120007
Antonius Yosef
21100114120024 21100114120024
Bunga Bumi Heir Bintang
21100114120025 21100114120025
Kris Satria Nababan
21100114120034 21100114120034
Ricky Habel Sidabutar
21100114140074 21100114140074
DEPARTEMEN TEKNIK GEOLOGI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG NOVEMBER 2017
KUAT GESER TANAH
1.1 Pengertian Pengertian dan Konsep Dasar
Keamanan struktur yang berdiri di atas tanah tergantung pada kekuatan tanah di bawahnya. Jika tanah runtuh, maka struktur tersebut akan runtuh yang merenggut korban dan kerugian ekonomi. Kekuatan tanah yang dimaksud yaitu kekuatan geser tanah. Kekuatan geser (shear strength) tanah merupakan gaya tahanan internal yang bekerja per satuan luas massa tanah untuk menahan keruntuhan atau kegagalan sepanjang bidang runtuh dalam massa tanah tersebut. Sebagai aplikasinya, parameter kekuatan geser tanah dapat digunakan untuk menghitung : -
Kuat dukung
-
Stabilitas lereng
-
Tekanan tanah pada struktur penahan Pada tanah, hanya kekuatan geser yang perlu diperhatikan. Dalam
rekayasa geoteknik seperti analisis daya dukung pondasi, tekanan tanah pada dinding penahan dan kemantapan lereng hanya bergantung pada kekuatan geser tanah, tidak dipengaruhi oleh kuat tekan dan kuat tarik. Kuat geser tanah tidak tetap pada jenis tanah tertentu. Pada kedalaman yang besar, umumnya tanah lebih kuat daripada di permukaan. Pada tanah urugan, lapisan bawah lebih kuat dari lapisan teratas. Hal ini karena kuat kuat geser tanah bergantung pada pada tegangan. Kuat geser tanah juga dapat bertambah disebabkan oleh pengaruh alam seperti curah hujan atau pengaruh kegiatan manusia pada lereng.
Gambar 1. Cara keruntuhan fondasi, dinding penahan, lereng alam
1
1.1.1
Rumus Umum
s = c’ + (σ-u) tan ϕ’ atau s = c’ + σ’ tan ϕ’ Keterangan : S = kuat geser tanah σ = tegangan normal total pada bidang geser u = tekanan air pori pada bidang geser σ’ = tegangan normal efektif pada bidang geser c’ = kohesi menurut keadaan tegangan efektif ϕ’ = sudut ketahanan geser (sudut gesekan) menurut keadaan tegangan efektif Parameter c’ dan ϕ’ biasanya dinamakan parameter kekuatan geser tanah menurut tegangan efektif. Kekuatan geser menurut persamaan tersebut dianggap terdiri dari dua bagian : a. Komponen kohesif (c’), yang disebabkan oleh ikatan antara butiran tanah dan nilainya dapat dianggap tetap pada jenis tanah tertentu. b. Komponen gesekan (σ ‘ tan ϕ’), yang bergantung pada tegangan normal efektif yang bekerja tegak lurus pada bidang geser.
1.1.2
Kekuatan Geser Tak Terdrainasi
Jika tidak terjadi perubahan kadar air di dalam tanah, tanah tidak terdrainasi dan jenuh sepenuhnya, tidak terjadi perubahan volume yang berarti tidak terjadi perubahan tegangan efektif. Berdasarkan rumus umum kuat geser, tidak terdapat perubahan komponen gesekan sehingga kekuatan tetap sama. Jadi dalam keadaan ini kuat geser tidak dipengaruhi oleh perubahan tegangan total pada tanah.
2
Menurut keadaan tegangan total (keadaan tak terdrainasi), tanah berperilaku seakan-akan sudut gesernya nol. Keadaan tak terdrainasi sering disebut ϕ = 0, keadaan ϕ = 0 hanya terjadi bila terdapat dua faktor yaitu : a. Tanah jenuh air b. Keadaan tak terdrainasi Keadaan ϕ = 0 tidak bergantung pada jenis tanah, dapat juga terjadi pada pasir dan lempung bila terdapat dua faktor tersebut. Keadaan ϕ = 0 umumnya pada tanah berbutir halus yaitu lanau dan lempung. Analisis kekuatan tak terdrainasi berarti analisis menurut tegangan total saja, karena perilaku tak terdrainasi berkaitan langsung hanya dengan tegangan total.
1.2 Kriteria Keruntuhan Mohr-Coulumb
Gambar 2. Kriteria keruntuhan Mohr-Coulumb
Kriteria keruntuhan / kegagalan Mohr-Coulomb digambarkan dalam bentuk garis lurus. Jika kedudukan tegangan baru mencapai titik P, keruntuhan tidak akan terjadi. Pada titik Q terjadi keruntuhan karena titik tersebut terletak tepat pada garis kegagalan. Titit R tidak akan pernah dicapai, karena sebelum mencapai titik R sudah terjadi keruntuhan.
3
Terzaghi (1925) mengubah persamaan Coulomb dalam bentuk efektif karena tanah sangat dipengaruhi oleh tekanan air pori.
τ = c'+(σ − µ) tgϕ' karena σ ' = σ − µ maka persamaan menjadi ;
τ = c'+σ 'tgϕ' dengan ; τ = tegangan geser (kN/m2 ) σ ' = tegangan normal efektif (kN/m2 ) c ’ = kohesi tanah efektif (kN/m2 ) ϕ' = sudut gesek dalam tanah efektif (derajad) Kuat geser tanah bisa dinyatakan dalam bentuk tegangan efektif σ’1 dan σ’3 pada saat keruntuhan terjadi . Lingkaran Mohr berbentuk setengah lingkaran dengan koordinat (τ ) dan (σ’) dilihatkan dalam Gambar 3.
Gambar 3. Lingkaran Mohr
Dari lingkaran Mohr dapat dilihat ; σ1’ = tegangan utama mayor efektif (kN/m2 ) c’ = kohesi (kN/m2 ) ' σ3’ = tegangan utama minor efektif (kN/m2 ) ǿ = sudut gesek dalam efektif θ = sudut keruntuhan (derajad) Tegangan geser ( f τ' ) = tegangan geser efektif pada saat terjadi keruntuhan
4
Tegangan normal ( f σ ' ) = tegangan normal efektif pada saat terjadi keruntuhan.
Dari lingkaran Mohr hubungan parameter-parameter tersebut dapat dinyatakan ;
1.3 Pengukuran Kuat Geser Tanah
Parameter kekuatan geser tanah ditentukan dari uji-uji laboratorium pada benda uji yang diambil dari lapangan yaitu dari hasil pengeboran tanah yang dianggap mewakili. Tanah yang diambil dari lapangan harus diusahakan tidak berubah kondisinya, terutama pada contoh asli (undisturbed ), dimana masalahnya adalah harus menjaga kadar air dan susunan tanah di lapangannya supaya tidak berubah. Pengaruh kerusakan contoh benda uji akan berakibat fatal terutama pada pengujian tanah lempung. Umumnya contoh benda uji diperoleh baik dengan kondisi terganggu atau tidak asli (disturbed sample) maupun didalam tabung contoh (undisturbed sample). Pada pengambilan tanah benda uji dengan tabung, biasanya kerusakan contoh tanah relatif lebih kecil. Kuat geser tanah dari benda uji yang diperiksa di laboratorium, biasanya dilakukan dengan besar beban yang ditentukan lebih dulu dan dikerjakan dengan menggunakan tipe peralatan yang khusus. Beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya kuat geser tanah yang diuji di laboratorium, adalah :
5
1) Kandungan mineral dari butiran tanah 2) Bentuk partikel 3) Angka pori dan kadar air 4) Sejarah tegangan yang pernah dialami 5) Tegangan yang ada di lokasi 6) Perubahan tegangan selama pengambilan contoh dari dalam tanah. 7) Tegangan yang dibebankan sebelum pengujian. 8) Cara pengujian 9) Kecepatan pembebanan 10) Kondisi drainase yang dipilih, drainase terbuka atau drainase tertutup 11) Tekanan air pori yang ditimbulkan 12) Kriteria yang diambil untuk penentuan kekuatan geser. Pada umumnya, cara mengukur kekuatan geser dilaboratorium harus sedemikian rupa sehingga nilai τ, σ dan u dapat diketahui selama percobaan dilakukan. Penentuan τ dan σ tidaklah sulit dan nilainya dapat diukur secara langsung. Demikian pula penentuan nilai u asal kedua hal berikut diperhatikan : 1) Keadaan pengaliran air dari contoh : yaitu apakah contoh tertutup selama percobaan sehingga air tidak dapat mengalir atau terbuka sehingga air dapat mengalir atau masuk contoh 2) Kecepatan percobaan : yaitu bilamana kecepatan terlampau tinggi maka air mungkin tidak dapat mengalir walaupun ada jalan pengaliran air yang terbuka. Percobaan kekuatan geser biasanya dilakukan dalam dua tingkat sebagai berikut : 1)
Tingkat pertama, Pemberian tegangan normal
2)
Tingkat kedua, Pemberian tegangan geser sampai terjadi keruntuhan, yaitu sampai tercapai tegangan geser maksimum. Uji kekuatan biasanya dilakukan dalam dua tahap yaitu sebagai
berikut : Tahap 1
: Pemberian tegangan normal-tahap konsolidasi
6
Tahap 2
: Pemberian tegangan geser sampai terjadi keruntuhan-tahap
pembebanan.
1.3.1
Uji Geser Langsung (Uji Kotak Geser)
Kotak geser adalah alat pertama untuk mengukur kekuatan geserl digunakan oleh coulomb pada tahun 1776. Alat ini diperlihatkan pada Gambar 1. contoh tanah dimasukkan dalam kotak yang terdiri atas dua bagian, yaitu bagian atas dan bagian bawah. batu berpori diletakkan di atas dan di bawah contoh tanah supaya air boleh masuk atau keluar dari contoh selama pengujian. sistem gantungan dan pemberian beban kemudian digunakan untuk memberikan regangan normal (vertikal) pada contoh. Alat pendorong kemudian memberikan gaya hoizontal pada bagian bawah kotak, sementara bagian atasnya tetap diam. Gaya horizontal diberikan dengan memakai kecepatan deformasi yang tetap; deformasi dan gaya di ukur sampai pengujian selesai.
Gambar 4. Uji Geser Langsung
Manfaat dan batasan dari uji geser langsung meliputi:
7
Sederhana dan mudah dilakukan.
Contoh tanah tak terganggu sulit disiapkan karena penampang persegi.
Drainasi tidak dapat dikendalikan, sehingga uji tak terdrainasi tidak mungkin
Tegangan-tegangan utama tidak diketahui'
Luas contoh tanah berubah terus selama pengujian berlangsung dan koreksinya tidak tepat.
Yang diperoleh adalah kurva tegangan/deformasi geser, bukan kurva tegangan/regangan.
1.3.2
Uji Triaksial
Uji triaksial sudah menjadi cara paling terkenal dan yang paling sering digunakan sekarang ini untuk mengukur kuat geser tanah. Uji ini lebih disukai baik karena alasan teoretis maupun karena dapat dipakai untuk bermacam-macam pengujian. Semua jenis uji kekuatan geser dapat dilakukan dengan alat triaksial. Alat ini dapat pula dipakai untuk mengukur sifat permeabilitas atau konsolidasi. Alat triaksial ini diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Uji Triaksial
8
Ada tiga jenis uji triaksial yang biasa digunakan, yaitu uji tak terdrainasi, uji terkonsolidasi tak terdrainasi, dan uji terdrainasi. Keadaan selama tahap konsolidasi (Tahap 1) dan tahap pembebanan (Tahap 2) pada masing-masing jenis pengujian adalah sebagai berikut: a. Uji tak terdrainasi (disebut juga uji tak terkonsolidasi takterdrainasi,/UU). Tidak ada drainasi yang diizinkan selama kedua tahap. Tekanan air pori umumnya tidak diukur. b. Uji konsolidasi tak terdrainasi /cu. Drainasi diizinkan selama tahap
konsolidasi,
sampai
contoh
tanah
terkonsolidasi
sepenuhnya, yaitu sampai semua tekanan air pori hilang menjadi nol. selama tahap pembebanan, tidak ada drainasi yangdlizinkan dan umumnya tekanan air pori diukur. c. Uji terdrainasi seluruh drainasi diizinkan selama kedua tahap. Maka tekanan air pori menjadi nol. Perubahan volume umumnya diukur selama Tahap 2. d. Perubahan volume-selama tahap konsolidasi baik pada uji konsolidasi tak terdrainasi maupun pada uji terdrainasi dan selama tahap pembebanan pada uji terdrainasi.
1.3.3
Lingkaran Tegangan Mohr
Untuk menentukan garis keruntuhan Mohr-Coulomb (dan nilai parameter kuat geser c¹ dan ϕ¹) umumnya dipergunakan cara grafis berdasarkan lingkaran tegangan Mohr. Lingkaran Mohr banyak digunakan dalam analisis tegangan, namun penjelasan yang diberikan disini terbatas pada penggunaannya dalam mekanika tanah, terutama pada uji triaksial. Kita akan meninjau keadaan pada bahan dimana tegangantegangan utama berlaku pada arah vertikal dan arah horizontal. Ini adalah
keadaan
pada
uji
triaksial.
Tujuannya
adalah
untuk
menentukan tegangan normal dan tegangan geser pada bidang lain, misalnya bidang dengan kemiringan seperti diperlihatkan pada
9
Gambar 3. Keseimbangan statis pada elemen bahan berbentuk baji akan diperiksa pada arah yang sejajar dengan bidang yang kemiringannya , dan juga pada arah yang tegak lurus terhadap bidang tersebut. Pada arah yang sejajar kita mendapat ζ a + 3asin cos = 1 cos sin ζ =( 1 - 3 ) sin cos dan karena sin2 = 2sin cos kita dapat menulis: ζ =
− 2
Sin 2
Pada arah yang tegak lurus kita mendapat
= 1 cos cos + 3 a sin Sin Sehingga
= 1 2 + 3 2 Sekarang dengan memakai persamaan: Cos 2 =2 2 dan cos 2 = 1-2 2 Maka didapatkan : + −
=
1.3.4
+
2
2
cos 2
Penggunaan Lingkaran Mohr untuk menggambarkan hasil Uji Triaksial Uji trialsial tak terdrainasi -umumnya hanya tegangan total
yang diketahui, dan dengan demikian hanya dapat dibuat plot dengan memakai tegangan total. Dalam hal ini nilai c menjadi kekuatan geser tak terdrainasi, , dan nilai adalah nol, seperti ditunjukkan pada Gambar 6. Dalam keadaan tak terdrainasi ini, setiap kenaikan tegangan sel (3 ) disertai dengan kenaikan yang sama pada tekanan air pori, sehingga tidak terjadi perubahan pada tegangan efektif.
10
Gambar 6. Hasil Uji triaksial terdrainasi pada tanah jenuh
Dengan demikian kekuatan tanah ini tetap.Jika kita mengukur tegangan air pori pada setiap pengujian dan kemudian menghitung tegangan efektif (tegangan sel dikurangi tekanan air pori) dan memplot lingkaran tegangan efektif, kita akan menemukan bahwa lingkaran ini berhimpit, seperti dalam Gambar 6. Kita masih tidak bisa menentukan parameter tegangan efektif karena lingkaran tunggal tidak cukup untuk menentukan garis keruntuhan. Uji terkonsolidasi tak terdrainasi -tekanan air pori diukur
sehingga tegangan efektif dapat dihitung dan hasilnya diplot dengan memakai tegangan efektif seperti diperlihatkan pada Gambar 7.
Gambar 7. Hasil dari Uji triaksial terkonsolidasi tak terdrainasi
11
Uji terdrainasi-tekanan air pori diketahui (sama dengan nol)
dan dengan demikian tegangan efektif tetap sama dengan tegangan total. Hasilnya memberikan gambaran lingkaran Mohr menurut tegangan efektif mirip dengan lingkaran tegangan efektif pada Gambar 7.
1.4 Perilaku Kuat Geser Pasir dan Lempung 1.4.1 Perilaku Kuat Geser Pasir
Perilaku kekuatan geser pasir lebih sederhana daripada perilaku kekuatan geser lempung atau lanau, sehingga akan dijelaskan terlebih dahulu. Pengukuran kekuatan geser pasir biasanya dilakukan dengan memakai uji terdrainasi, karena air dapat mengalir dari pasir dengan sangat cepat. Tegangan air pori tidak mungkin
berbeda di
tengah contoh tanah dengan nilai-nilai pada ujungnya dimana drainasi diperbolehkan.
Gambar 8. Uji Triaksial terdrainasi pada pasir dalam keadaan lepas dan padat
Gambar 8. menunjukkan hasil dari uji triaksial pada contoh pasir yang disiapkan dalam keadaan lepas dan padat, diuji pada tekanan pengekang yang sama. Pada contoh pasir yang padat, tegangan deviator
12
meningkat sampai mencapai nilai puncakyangjelas, kemudian menurun hingga mencapai nilai yang tetap. Volumenya menunjukkan sedikit penurunan pada bagian awal, diikuti oleh peningkatan terus sampai kemudian mencapai nilai yang tetap. contoh tanah yang lepas, tidak menunjukkan nilai puncak pada tegangan "deviator" yang jelas. Kekuatannya meningkat hingga mencapai nilai yang tetap, yang sangat dekat dengan nilai yang diperoleh dari contoh yang padat. Volume contoh tanah yang lepas menunjukkan sedikit penurunan sebelum mencapai nilai yang tetap. Dalam setiap pengujian, tegangan deviator dan volume menjadi tetap pada regangan yang besar.Jika kepadatan (atau angka pori) diukur pada kedua contoh ini setelah mencapai keadaan "tetap"atau ultimate, ditemukan bahwa nilainya sama. Keadaan ini disebut keadaan kritis (critical state). Pada keadaan ini, deformasi dapat berlanjut terus pada tegangan deviator dan volume yang tetap.
Gambar 9. Kekuatan puncak (maksimum) dan kekuatan pada keadaan kritis dari pasir
Gambar 9. menunjukkan hasil dari serangkaian uji kotak geser tak terdrainasi pada contoh pasir yang sama dengan tegangan vertikal yang berbeda. Hasilnya digambarkan dalam bentuk tegangan terhadap regangan dan juga terhadap tegangan normal. Baik tegangan puncak rnaupun pada keadaan kritis diplot terhadap tegangan normal. Pasir tidak berkohesi, jadi garis keruntuhannya umumnya melalui asalnya. Dua nilai dari sudut gesekan ϕ' dapat ditentukan, yaitu nilai puncak (ϕ') dan nilai keadaan kritis, yang biasanya dinyatakan dengan ϕ' kritis atau
13
ϕ' cv. Akhiran cv menunjukkan volume yang tetap. Nilai ϕ' yang biasa pada pasir adalah di antara 35° dan 45°, nilai yang lebih rendah biasanya terkait dengan keadaan lepas dan nilai yang tinggi terkait dengan keadaan padat.
1.4.2 Kekuatan Sisa Lempung
Skempton (1964) mengusulkan konsep kekuatan sisa (residual strength) lempung pada waktu beliau meneliti kemantapan jangka panjang pada lereng yang dipotong dalam " stiff fissured clays" (lempung kaku yang mengandung retak-retak) di London. Kelongsoran pada lereng ini terlihat terjadi lama setelah pemotongannya, kadangkadang sampai puluhan tahun sesudahnya. Lempung semacam ini sering terdapat di Eropa dan Amerika Utara, merupakan lempung terkonsolidasi berlebihan yang mengandung retak-retak yang acak (tidak teratur). Adanya retak-retak ini tentu berpengaruh pada kekuatan geser tanah tersebut. Skempton mengusulkan bahwa retak-retak ini menyebabkan kekuatannya berangsur- angsur turun dari nilai puncak menjadi nilai sisa. Kehilangan kekuatan sedikit demi sedikit ini yang akhirnya menyebabkan kelongsoran. Gambar 10 memperlihatkan konsep kekuatan sisa. Tanah diuji dengan
memakai
sebuah
alat
(dulunya
kotak
geser),
yang
memungkinkan deformasi yang besar pada bidang geser. Tiga contoh diuji pada tegangan normal yang berbeda-beda, sehingga diperoleh grafik tegangan terhadap deformasi. Pada setiap pengujian, terlihat bahwa kekuatan naik sampai puncak (maksimum) dan kemudian menurun. Jika pengujian dilanjutkan hingga deformasi besar, kekuatan mencapai nilai yang tetap, ini disebut kekuatan sisa. Perilaku ini menyerupai perilaku pada pasir, tetapi pada dasarnya terdapat perbedaan yang penting. Pada pasir, keadaan kritis muncul karena terjadinya keadaan tegangan dan deformasi yang seragam, pada angka pori yang sama. Pada lempung, umumnya keadaan ini tidak terjadi.
14
Pergeseran pada lempung terjadi pada bidang keruntuhan khusus sehingga keadaan tetap dan seragam tidak muncul. Lagi pula, bentuk butiran lempung yang gepeng menjadikan bidang keruntuhan agak licin dengan kekuatan yang rendah.
Gambar 10. Kekuatan puncak dan kekuatan sisa pada lempung
Perbedaan-perbedaan penting antara perilaku lempung dan pasir yang tercatat di bawah ini perlu dipahami: 1. Penurunan kekuatan yang terjadi pada pasir selama pergeseran (kecuali pada contoh tanah yang sangat lepas yang hanya menunjukkan peningkatan kekuatan) disebabkan oleh perubahan kepadatan pasir. Butiran-butirannya mencapai keadaan baru yang seragam dan kurang padat. 2. Penurunan kekuatan yang terjadi pada lempung selama pergeseran timbul karena beberapa sebab. Pertama, ada jenis lempung asli, terutama lempung residu, yang mengandung ikatan antara butiran-butirannya dan pergerakan geser dapat menghancurkan ikatan ini. Kedua, bentuk butiran gepeng menyebabkan susunan butiran gepeng sejajar dengan bidang geser. Ketiga, perubahan kepadatan mungkin terjadi, seperti halnya pada pasir. 3. Pergerakan butiran pada pasir ketika keadaan kritis dicapai dianggap berputar, sementara pada lempung ketika kekuatan sisa dicapai dianggap bergeser.
15
4. Istilah kekuatan sisa terutama dimalsudkan untuk lempung; jika digunakan pada pasir dapat dianggap bahwa nilanya sama dengan kekuatan pada keadaan kritis. 5. Sebelum mencapai keadaan sisa pada uji kekuatan pada lempung, tanah tersebut mungkin telah melalui keadaan kritis, tetapi tidak mungkin menentukannya. Oleh karena itu, sulit untuk menciptakan keadaan kritis pada lempung dalam uji laboratorium dan tidak ada kemungkinan hal itu terjadi di lapangan.
1.5 Konsep Tapak Tegangan
Istilah "tapak tegangan" menunjuk rangkaian tahapan tegangan pada tanah. Tapak tegangan merupakan konsep yang sangat berguna untuk memahami perilaku tanah, terutama apabila tanah dibebani dalam keadaan tak terdrainasi.
Gambar 11. Hubungan antara tegangan efektif horizontal dan vertical ketika tanah dibebani pada keadaan K o (tidak ada deformasi horizontal)
Gambar 11 merupakan sebuah contoh tapak tegangan, gambar tersebut menunjukkan urutan tegangan pada elemen tanah yang mengalami pembebanan satu arah. Pada gambar tersebut tapak tegangan digambar dengan menggunakan tegangan efektif vertikal ( 'v) dan horizontal ( 'h).
16
Meskipun grafik semacam ini selalu dapat dipakai, secara umum sekarang dipergunakan cara lain yaitu cara yang ada hubungan langsung dengan lingkaran Mohr. Yang dipakai adalah “puncak” lingkaran Mohr, yaitu titik tertinggi pada lingkaran, seperti diperlihatkan pada Gambar 12. Jar ak ke pusat lingkaran digambar pada sumbu horizontal (x) dan jari-jari lingkaran pada sumbu vertikal (y). Nilai x dan y dalam gambar ini kemudian dinyatakan oleh:
=
+ 2
dan
=
− 2
Tapak tegangan dapat digambar dengan menggunakan tegangan total atau tegangan efektif.
(a) Tapak tegangan pada uji triaksial, beserta Mohr-Coulomb yang disesuaikan
17
(b) Tapak tegangan pada uji triaksial tak terdrainase Gambar 12. Tapak tegangan dalam uji triaksial dan garis keruntuhan MohrCoulomb yang disesuaikan
Gambar 12.a menunjukkan lingkaran Mohr dan tapak tegangan menurut tegangan total. Kita dapat mencatat sepintas bahwa pada uji terdrainasi, tapak tegangan efektif selalu sama dengan tapak tegangan total. Titik E merupakan awal dari tegangan (tekanan sel diberikan oleh jarak OE), dan selama pengujian berlangsung, lingkaran membesar sehingga keruntuhan terjadi ketika lingkaran menyentuh garis keruntuhan Mohr-Coulomb DG. Semua titik terdapat pada garis EB, yang adalah tapak tegangan untuk pembebanan tanah dari E sampai B. Garis DF adalah garis keruntuhan apabila tapak tegangan (atau nilai kekuatan puncak) digambar dengan cara ini. Untuk menentukan parameter c’ dan ∅′ dari rangkaian pengujian, lebih mudah menggambar titik keruntuhan (titik B untuk tapak tegangan ini) daripada lingkaran karena lebih mudah menentukan garis dengan rangkaian titik daripada mencocokkan garis pada rangkaian lingkaran. Hubungan antara sudut dan jarak perpotongan d dan parameter Mohr-Coulomb adalah hubungan geometris seperti berikut:
=
∅
= ∅′ ;
sin∅′ = tan
18
Gambar 12.b
menunjukkan tapak tegangan total dan tegangan
efektif dalam uji triaksial konsolidasi tak terdrainasi. Dalam keadaan ini tapak tegangan efektif berbeda dari tapak tegangan total. Perbedaan ini adalah sebesar nilai tekanan air pori yang dihasilkan akibat penggeseran selama pengujian. Jika tekanan air pori yang dihasilkan positif, maka kedua tegangan utama menurun dan lingkaran Mohr dan tapak tegangan bergeser ke kiri, seperti ditunjukkan pada gambar. Jika tekanan air pori yang dihasilkan negative, maka tapak tegangan akan bergeser ke sebelah kanan tapak tegangan total. Perubahan tegangan air pori selama pembebanan tak terdrainasi secara umum dinyatakan dengan memakai Parameter A, yang dijelaskan pada bagian berikut ini. 1.6 Parameter Tekanan Air Pori
Seperti yang telah kita ketahui bahwa perubahan tekanan air pori di dalam tanah dapat disebabkan oleh rembesan air dalam tanah, juga sebagai akibat perubahan tegangan total pada tanah dalam keadaan tak terdrainasi. Adapun parameter tekanan air pori A dan B digunakan sebagai pengukur perubahan tekanan air pori di dalam tanah yang disebabkan oleh perubahan tegangan total dalam keadaan tak terdrainasi. Perubahan tegangan total ini mungkin hanya pada tegangan pengekang, tetapi mungkin juga perubahan pada tegangan geser. Persamaan yang digunakan untuk menghubungkan perubahan tekanan air pori dengan perubahan tegangan total (Skempton, 1954) adalah:
∆ = {∆3 (∆1 ∆3 )} Dimana, ∆
= Perubahan tekanan air pori
∆3
= Perubahan tegangan utama minor
∆1
= Perubahan teganagn utama mayor
= Parameter (atau koefisien) tekanan air pori
19
Dengan demikian parameter B berhubungan dengan kenaikan tegangan pengekang, ∆3 , sementara A berhubungan dengan kenaikan tegangan geser, yang dinyatakan dengan ∆1 ∆3 . Jika kenaikan tegangan adalah semata-mata pada tegangan pengekang ∆3 , maka ( ∆1 ∆3 ) menjadi nol dan hubungan tersebut menjadi ∆ = B∆3 . Seperti telah kita lihat, jika tanah jenuh air maka tekanan air pori akan meningkat dengan nilai yang sama dengan kenaikan tegangan pengekang total, dan B = 1. Apabila tanah kurang dari 100% jenuh, maka nilai B menurun dengan cepat seiring dengan meningkatnya volume udara dalam tanah. Jika derajat kejenuhan menurun hingga 80%, nilai B akan kurang dari 0,2 pada banyak jenis lempung. Parameter A berhubungan dengan perubahan tegangan geser. Jika nilai 3 tetap dan tanah jenuh, maka persamaanny menjadi:
∆ = (∆1 ∆3 ) = ∆1 Nilai A bergantung pada kekakuan atau kepadatan tanah. Tanah yang sangat lunak cenderung mengalami penurunan volume apabila kena pergeseran, sehingga pada keadaan tak terdrainasi tekanan air pori akan mengalami kenaikan selama pergeseran. Dalam hal ini, tanah yang sangat padat cenderung mengalami dilatasi (peningkatan volume) apabila kena pergeseran sehingga pada keadaan tak terdrainasi tegangan air pori akan cenderung menurun selama pergeseran. Oleh karena itu, nilai A dapat berkisar dari bawah nol hingga sekitar satu. Pada jenis tanah yang sangat lunak, dan tanah dengan kepekaan yang tinggi, A mungkin lebih besar dari 1. Pada tanah endapan, nilai A umumnya berkisar antara 0 untuk tanah terkonsolidasi berlebihan, hingga sekitar 1 untuk tanah terkonsolidasi normal. Gambar 13 menunjukkan hubungan patameter A dan B dengan sifat tanah.
20
Gambar 13. Parameter tegangan air pori A dan B dihubungkan dengan sifat tanah
1.7 Kuat Geser Tak Terdrainasi Pada Tanah Asli Dan Tanah Yang Dibentuk Ulang 1.7.1
Lempung Endapan Terkonsolidasi Normal
Pada lempung dan lanau endapan asli, terdapat beberapa hubungan empiris antara kekuatan tak terdrainasi dengan parameter tanah lainnya. Sebagai contoh, (Skempton, 1957) menghubungkan kekuatan geser tak terdrainasi tanah terkonsolidasi normal dengan tekanan konsolidasi efektif vertikal, dan batas Atterberg. Hubungan ini dinyatakan dalam persamaan:
Dimana: su = kekuatan geser tak terdrainasi σ' = tekanan vertikal efektif pada tanah PI = indeks plastisitas
21
Kekuatan geser tak terdrainasi tanah terkonsolidasi normal dapat juga dihubungkan secara teoritis dengan tekanan konsolidasinya, asalkan tanah "tak terstruktur" dan sifatnya secara langsung hanya dipengaruhi oleh riwayat tegangannya.
Dari persamaan ini, kita bisa mendapatkan hubungan antar tegangan deviator dengan tegangan utama mayor σ'1:
Kekuatan tak terdrainasi su adalah setengah dari nilai tegangan deviator, dan untuk lempung terkonsolidasi normal, nilai c' adalah nol, sehingga
Pada lempung terkonsolidasi normal, nilai umum parameter tegangan air pori A = 1. Ini berarti tegangan utama mayor σ'1, tidak berubah selama pengujian, dan σ'c sama dengan tegangan utama mayor σ'1 pada keruntuhan.
22
Oleh karena itu, kita dapat menulis:
Sehingga kita memperoleh:
Persamaan ini memberikan nilai
untuk ϕ' = 30˚ dan
0,25 untuk ϕ'= 20˚. Nilai ini sama dengan nilai pada lempung dengan plastisitas sedang. Kenaikan indeks plastisitas umumnya disertai dengan penurunan nilai ϕ’ (paling tidak untuk tanah endapan), yang berarti penurunan pada nilai su /
σ’ c dengan
kenaikan indeks plastisitas. Pengukuran lapangan
(menurut Skempton) menunjukkan kecenderungan yang berlawanan. Ini mungkin karena pengaruh yang besar dari ikatan antara butiran pada lempung dengan plastisitas yang tinggi.
1.7.2
Tanah yang Dibentuk Ulang
Pada tanah yang dibentuk ulang, kekuatan geser tak terdrainasi dapat dihubungkan dengan batas Atterberg dan indeks kecairan tanah. Perbandingan kekuatan geser tak terdrainasi pada batas plastis dan batas cair mendekati 100, menurut Schoefield dan
23
Wroth (1968). Nilai yang mereka sarankan sekitar 200 kPa dan 2kPa. Akhir-akhir ini, Sharma dan Padma (2003) mengusulkan 770 kPa dan 1,7 kPa. Nilai tersebut dan grafik yang menghubungkan kekuatan geser tak terdrainasi dengan indeks kecairan ditunjukkan pada Gambar 9.40. Kurva ini merupakan batas kekuatan geser paling rendah pada tanah dengan nilai indeks kecairan tertentu. Kebanyakan tanah asli terdapat dengan kekuatan geser tak terdrainasi yang lebih tinggi daripada yang diberikan oleh grafik tersebut. Hanya tanah asli yang tidak mengalami kehilangan kekuatan ketika dibentuk ulang, (yaitu tanah yang tidak memiliki kepekaan), yang akan terdapat pada garis ini. Tanah semacam ini jarang sekali terdapat.
1.7.3
Tanah Residu
Tidak ada hubungan antara nilai ini dengan nilai pada tanah yang dibentuk ulang. Kekuatan geser tak terdrainasi tanah residu asli umumnya lebih tinggi daripada kekuatan pada tanah yang dibentuk ulang. Penyebab utama keadaan ini adalah pengaruh dari struktur pada tanah residu. Kekuatan geser tak terdrainasi dari tanah berbutir halus jarang lebih kecil dari 70 kPa, dan umumnya di atas 100 kPa. Lempung hitam merupakan pengecualian; lempung ini terdapat pada daerah terdrainasi buruk dan yang umumnya mengandung mineral
24
lempung montmorillinite. Adanya mineral ini mengakibatkan sifatsifat yang buruk, yaitu kekuatan rendah, kompresibilitas tinggi dan sering menyebabkan tanah mengembang/menyusut.
1.8 Pengukuran Kekuatan Geser Tanah Tak Terdrainasi 1.8.1 Uji Tekan Tak Terkekang
Uji triaksial tak terdrainasi dapat digunakan untuk mengukur kekuatan geser tak terdrainasi pada lempung. Jelas bahwa hasil uji adalah sama dan tak bergantung pada tekanan pengekang. Oleh karena itu, tidak perlu menggunakan sel triaksial untuk mengukur kekuatan geser tak terdrainasi. Lebih sederhana menggunakan uji tekan pada contoh berbentuk silinder tak terkekang. Kekuatan tekan yang diukur dengan cara ini dikenal sebagai kekuatan tekan tak terkekang (unconfined compressive strength). Kekuatan geser tak terdrainasi adalah setengah dari kekuatan tekan tak terkekang, asalkan tanahnya jenuh air.
1.8.2 Uji Baling-baling
Cara lain yang dapat digunakan untuk mengukur kekuatan geser tak terdrainasi lempung adalah uji baling-baling (vane test ). Uji ini digunakan secara luas di lapangan, terutama pada lempung terkonsolidasi normal yang lunak. Uji ini cocok untuk tanah semacam ini karena uji ini merupakan uji setempat yang pelaksanaannya relatif sederhana, dan juga karena pengambilan contoh yang benar asli pada lempung lunak bisa sangat sulit. Uji baling-baling di lapangan umumnya dilakukan dengan bantuan alat pengeboran untuk mendorong baling-baling ke dalam tanah dan mengambilnya kembali.
25
DAFTAR PUSTAKA
Wesley, Laurence dan Pranyoto, Dr. Ir. Satyawan. 2012. Mekanika Tanah untuk Tanah Endapan dan Tanah Residu . Yogyakarta : Andi.
26
