Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 1 DASAR-DASAR MEKANIKA TANAH Disusun Oleh : Dr. Ir. H. Darwis, M.Sc. Tanah terbentuk dari fraksi batuan, menjadi agregat alami. Tanah menjadi sumber utama bahan konstruksi Lapisan tanah menjadi pendukung utama bangunan konstruksi ......TANAH SUMBER BAHAN DAN TUMPUAN KONSTRUKSI.....
2|Dasar-Dasar Mekanika Tanah DASAR-DASAR MEKANIKA TANAH Penulis : Dr. Ir. H. Darwis, M.Sc. Editor : Abdul Kodir, M.Pd Cover : Riz@l Copy Right : 2018©Darwis Diterbitkan Pertama Kali Oleh : Pena Indis Distribusi Oleh : Pustaka AQ Nyutran MG II 14020 Yogyakarta [email protected] WA 0895603733059 ISBN :978-602-429-098-6 14.21 cm = 368 Halaman Hak cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak buku ini sebagian atau seluruhnya, dalam bentukdan dengan cara apapun juga, baik secara mekanis maupun elektronik ,termasuk fotocopy, scan, rekaman, dan lain-lain tanpa izin tertulis dari penulis. Cetakan Pertama, Februari 2018 Sanksi pelanggaran pasal 44, Undang-undang No. 7 Tahun 1987 tentang Perubahan atas Undang-undag No.6 Tahun 1982 tentang hak cipta. 1. Barangsiapa dengan sengaja dan tanpa hak mengumumkan atau memperbanyak suatu ciptaan atau memberi izin untuk itu dipidana dengan pidana penjara paling lama 7 tahun dan/atau denda paling banyak Rp. 100.000.000,- (seratus juta rupiah). 2. Barang siapa dengan sengaja menyiarkan, memamerkan, mengedarkan atau menjual kepada umum suatu ciptaan atau barang hasil pelanggaran hak cipta sebagaimana dimaksud dalam ayat 1 (satu), dipidana dengan pidana penjara paling lama 5 tahun dan/atau denda paling banyak Rp. 50.000.000 (lima puluh juta rupiah).
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 3iii PRAKATA Di kalangan Insinyur Sipil, materi kerak bumi dibedakan atas dua jenis, yakni “tanah” dan “batuan”. Tanah adalah kumpulan butiran mineral alami (ageregat) yang bisa dipisahkan oleh suatu cara mekanis bila agregat tersebut diaduk dalam air. Sedangkan batuan adalah agregat yang mineralnya satu sama lain diikat oleh gaya-gaya kohesif yang permanen dan kuat, dan tidak bisa dipisah kan dengan cara mekanis sederhana. Akan tetapi di kalangan Insinyur Geologi istilah “batuan” dimaksudkan untuk semua materi penyusun kerak bumi tanpa mempersoalkan derajat keterikatan partikel-partikel mineralnya (batu, tanah, air dan gas). Dan yang dimaksudkan oleh para ahli geologi sebagai “tanah” hanyalah bagian kerak bumi yang menopang tumbuhan. Sedangkan menurut ahli pertanian bahwa yang dimaksud dengan tanah adalah medium alam tempat tumbuhnya tanaman yang tersusun dari bahanbahan padat, gas, dancair. Mekanika tanah pada dasarnya merupakan studi tentang tanah dan propertinya sehubungan dengan tujuan konstruksi. Mekanika tanah adalah disiplin teknik sipil yang memprediksi karakteristik kinerja tanah, dengan menggunakan teknik statika, teknik dinamika, mekanika fluida, dan teknologi lainnya. Mekanika tanah meliputi studi komposisi tanah, kekuatan, konsolidasi, dan penggunaan prinsip hidrolik, untuk menangani masalah yang menyangkut sedimendan endapan lainnya. Mekanika tanah adalah salah satu ilmu utama untuk menyelesaikan masalah yang juga berkaitan dengan geologiteknik. Studi mekanika tanah sangat penting bagi insinyur sipil karena berdasarkan temuan studi mekanika tanah, struktur rekayasa dapat dirancang-bangun. Jenis konstruksi, jenis peralatan yang akan digunakan, jenis pondasi, bahan
iv4|Dasar-Dasar Mekanika Tanah pendukung, dan banyak aspek pekerjaan konstruksi lainnya sangat dipengaruhi oleh hasil dari studi mekanika tanah. Pada dasarnya mekanika tanah mempelajari tentang proses pembentukan tanah, sifat fisik dan kimia tanah, kompresibilitas tanah, permeabilitas, konsolidasi, dan lain sebagainya. Buku ini menguraikan dasar-dasar pengetahuan tentang Mekanika Tanah, yang dapat menjadi materi pokok pembelajaran bagi mahasiswa Teknik Sipil, Teknik Pengairan, dan Teknik Pertambangan, baik yang menempuh jenjang S1 maupun S2. Uraian di dalam buku ini telah diupayakan oleh penulis untuk didiskripsikan dengan menggunakan bahasa ilmiah yang populer, agar pembaca tidak mengalami kesulitan di dalam membaca, mempelajari, bahkan dapat mengembangkannya, sesuai dengan kondisi dan kebutuhan yang pembaca hadapi. Dan besar harapan penulis kiranya kehadiran buku ini dapat menambah khasanah bacaan bagi mahasiswa maupun para praktisi (engineer) yang menggemari bidang ilmu Mekanika Tanah.Dalam surah An Naml Allah Swt berfirman : “Dan kamu lihat gunung-gunung itu, kamu sangka dia tetap (diam) di tempatnya, padahal ia berjalan sebagai jalannya awan. (Begitulah) perbuatan Allah yang membuat dengan kokoh tiap-tiap sesuatu; Sesungguhnya Allah Maha mengetahui apa yang kamukerjakan”(QS.27: 88). Tiada gading yang tak retak, tiada penulis yang tak memiliki kekurangan dan kelemahan. Menyadari akan hal tersebut, maka penulis sangat mengharapkan kritik, saran, dan masukan dari para pembaca kepada penulis, guna perbaikan tulisan buku ini pada terbitan edisi-edisi berikutnya. Untuk itu sebelumnya penulis dengan penuh rasa hormat dan syukur, tak lupa menghaturkan banyak terima kasih atas siapapun yang sudi dan berkenan memberikan kritik, saran dan masukan kepada penulis.
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 5v Akhirulkalam, tak lupa pula penulis menghaturkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang mendukung dan mendorong penulis sehingga tulisan ini dapat rampung sebagaimana adanya, terutama kepada istri dan anak-anak penulis, yang dengan ikhlas menerima berkurangkan perhatian penulis kepada mereka. Namun sebagai tanda kecintaan penulis terhadap keluarga, maka buku ini menjadi persembahan penulis kepada anak-anak penulis, dengan penuh harap semoga kelak mereka mampu menjadi penulis yang lebih baik dari bapak mereka. Amin Ya Rabbul Alamin. Makassar, Februari 2018 Penulis, Dr. Ir. Darwis, M.Sc.
vi6|Dasar-Dasar Mekanika Tanah DAFTAR ISI Prakata ..................................................................................iii Daftar Isi ..............................................................................vi BAB I PENGERTIAN TANAH & INDEKS PROPERTI TANAH........................................... 11 1.1. Pengertian Tanah & Mekanika Tanah ................... 11 1.2. Pembentukan Tanah ............................................. 13 1.3. Indeks Properti Tanah .......................................... 15 1.3.1. Berat Volume Tanah ................................ 15 1.3.2. Porositas dan Angka Pori Tanah .............. 17 1.3.3. Kadar Air dan Derajat Kejenuhan Tanah .................................................................. 18 1.3.4. Parameter Turunan .................................... 19 1.3.5. Parameter Batas-Batas Atterberg ............... 28 1.3.6. Analisis Butiran Tanah ............................ 34 BAB II KLASIFIKASI TANAH ..................................... 40 2.1. Pengertian Umum ................................................. 40 2.2. Metode Klasifikasi Tanah ................................... 42 2.3. Klasifikasi Berdasarkan Butir Tanah .................... 43 2.4. Klasifikasi Tanah di Lapangan .............................. 48 2.5. Metode Klasifikasi USDA..................................... 49 2.6. Metode Klasifikasi USCS ..................................... 51 2.7. Metode Klasifikasi AASTHO ............................... 57 2.8. Metode Klasifikasi FAO/UNESCO....................... 63 2.9. Metode Klasifikasi BSCS...................................... 64 2.10. Metode Klasifikasi Tanah Ekspansif ..................... 66 BAB III SIFAT HIDROLIK TANAH .............................. 69 3.1. Komposisi Air Tanah ........................................... 69
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 7vii 3.2. Infiltrasi dan Perkolasi .......................................... 71 3.3. Air Kapiler.......................................................... 101 3.4. Permeabilitas ...................................................... 108 3.4.1. UjiPermeabilitasTinggiEnergiTetap(Con stant-head)............................................... 119 3.4.2. UjiPermeabilitasTinggiEnergi Turun(Falling-head)................................ 120 3.4.3. UjiPermeabilitasDari Uji Konsolidasi (Tidak Langsung) .................................... 121 3.4.4. UjiPermeabilitasDari Uji Kapiler (Tidak Langsung)................................................ 123 3.4.5. UjiPermeabilitasSumur Bor (Uji Lapangan)................................................ 126 3.4.6. UjiPermeabilitas Sumur Artesis (Uji Lapangan)........................................ 131 3.4.7. UjiPermeabilitasDengan Lubang (UjiLangsung) ........................................ 133 3.4.8. Uji Permeabilitas Dengan Lubang Variable-Head ......................................... 135 3.4.9. UjiPermeabilitasDengan Kecepatan Rembesan ............................................... 136 3.4.10. Menghitung Permeabilitas Secara Teoritis.................................................... 137 3.4.11. Korelasi Permeabilitas dan Angka Pori Tanah Granuler ....................................... 141 3.5. Rembesan (Seepage)........................................... 143 3.5.1. JaringanArus (Flow Net).......................... 148 3.5.2. Tekanan Rembesan ................................. 152 3.5.3. PengaruhTekanan Air Terhadap Stabilitas Tanah ....................................... 153 3.5.4. Teori Konsolidasi Mengapung (Quick-Condition).................................... 154 3.5.5. KeamananBangunanterhadapBahayaPipi ng ............................................................ 155
viii8|Dasar-Dasar Mekanika Tanah 3.5.6. Gaya Tekanan Air padaStruktur............... 159 3.5.7. Kondisi Tanah Anisotropis ...................... 161 3.5.8. Kondisi Tanah Berlapis............................ 164 3.5.9. RembesanpadaStrukturBendungan........... 170 3.5.10. PenggambaranGarisRembesansecaraGra fis............................................................ 175 3.5.11. Debit RembesanpadaBendungan Tanah Anisotropis.............................................. 180 3.5.12. Menggambarkan Jaring Arus pada Struktur Bendungan Tanah ...................... 182 3.5.13. Filter........................................................ 185 BAB IV TEGANGAN & PENYEBARAN TEGANGAN ..................................................................... 189 4.1. Pengertian Tegangan-Tegangan Tanah .............. 189 4.2. Tegangan Efektif................................................. 195 4.3. Tegangan Efektif pada Tanah Tak Jenuh............. 200 4.4. Pengaruh Gaya Rembesan pada Tegangan Efektif................................................................. 201 4.5. PengertianPenyebaran Tegangan......................... 203 4.6. Teori Boussinesq................................................. 204 4.6.1. Beban Titik ............................................. 204 4.6.2. Beban Garis............................................. 210 4.6.3. Beban Merata – Lajur Memanjang ........... 211 4.6.4. Beban Merata – Empat Persegi ............... 212 4.6.5. Beban Merata – Lingkaran ...................... 216 4.7. Teori Newmark .................................................. 218 4.8. Teori Westergaard .............................................. 221 4.9. Teori Penyebaran Beban (2V : 1H) ..................... 222 BAB V SIFAT KOMPRESIBILITAS TANAH ........... 224 5.1. Lingkup Sifat Kompresibilitas Tanah ................. 224 5.2. Teori Konsolidasi................................................ 226
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 9ix 5.2.1. Konsolidasi Normal (NC) dan Konsolidasi Berlebih (OC)....................... 228 5.2.2. Teori Terzaghi (Analisis Konsolidasi) ..... 231 5.2.3. Penurunan danWaktuKonsolidasi ............ 238 5.3. Penurunan (Settlement) ...................................... 240 5.3.1. Penurunan Seketika ................................. 241 5.3.2. Penurunan Konsolidasi Primer................. 253 5.3.3. Penurunan KonsolidasiSekunder ............. 261 5.4. Kompaksi (Pemadatan) ....................................... 262 5.4.1. Uji Pemadatan Laboratorium ................... 267 5.4.2. Faktor Yang Mempengaruhi Hasil Pemadatan ............................................... 272 5.4.3. Kondisi Khusus Dalam Pemadatan Tanah ...................................................... 279 5.4.4. Spesifikasi Pekerjaan Pemadatan Tanah... 290 BAB VI KEKUATAN TANAH ...................................... 296 6.1. Ruang Lingkup Kekuatan Tanah ........................ 296 6.2. Kekuatan Geser Tanah ........................................ 297 6.2.1.Teori Lingkaran Mohr................................ 298 6.2.2.Kriteria Keruntuhan Mohr-Coulomb .......... 301 6.2.3.Metode Penentuan Kuat Geser Tanah ........ 304 6.2.4.Parameter Tegangan Total ......................... 311 6.2.5.Parameter Tegangan Efektif ...................... 312 6.2.6.Parameter Tekanan Air Pori ...................... 314 6.2.7.Perilaku Tegangan-Regangan Tanah Pasir . 316 6.3. Kapasitas Daya Dukung Tanah ........................... 318 6.3.1.Pola Keruntuhan Tanah ............................. 319 6.3.2.Teori Kapasitas Daya Dukung Terzaghi .... 322 6.3.3.Teori Kapasitas Daya Dukung Meyerhoff . 329 6.3.4.Pengaruh Muka Air Tanah terhadap Day Dukung Tanah .......................................... 332 6.4. Tekanan Lateral Tanah ....................................... 355 6.4.1.Tekanan Lateral Tanah padaSaat Diam..... 337
10x |Dasar-Dasar Mekanika Tanah 6.4.2.Tekanan Lateral Tanah Aktif (Tekanan Aktif Rankine) ............................................ 340 6.4.3.Tekanan Lateral Tanah Pasif (Tekanan Pasif Rankine)............................................ 343 6.5. Stabilitas Lereng ................................................ 345 6.5.1.Metode Irisan (Method of Slice)................. 349 6.5.2.Metode Irisan Fellenius ............................. 351 6.5.3.Metode Bishop Sederhana (Simplified Bishop Method........................................... 354 DAFTAR PUSTAKA ........................................................ 359 INDEX ............................................................................... 364 GLOSERIUM..................................................................... 367
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 11 BAB –I PENGERTIANTANAH DAN INDEKS PROPERTI TANAH 1.1. Pengertian Tanah dan Mekanika Tanah Tanah terbentuk berlapis-lapis karena proses fisik, kimia, dan biologi yang meliputi transformasi bahan tanah. Di kalangan Insinyur Sipil, membagi materi penyusun kerak bumi atas dua jenis, yakni “tanah” dan “batuan”. Tanah adalah kumpulan butiran mineral alami (ageregat) yang bisa dipisahkan oleh suatu cara mekanis bila agregat tersebut diaduk dalam air. Sedangkan batuan adalah agregat yang mineralnya satu sama lain diikat oleh gaya-gaya kohesif yang permanen dan kuat, dan tidak bisa dipisahkan dengan cara mekanis sederhana. Akan tetapi di kalangan Insinyur Geologi istilah “batuan” dimaksudkan untuk semua materi penyusun kerak bumi tanpa mempersoalkan derajat keterikatan partikel-partikel mineralnya (batu, tanah, air). Dan yang dimaksudkan oleh para ahli geologi sebagai “tanah” hanyalah bagian kerak bumi yang menopang tumbuhan. Sedangkan menurut ahli pertanian bahwa yang dimaksud dengan tanah adalah medium alam tempat tumbuhnya tumbuhan dan tanaman yang tersusun dari bahanbahan padat, gas dan cair. Dalam buku ini batasan pengertian tentang tanah, menggunakan kriteria yang dipahami di dalam bidang ilmu teknik sipil. Istilah pasir (sand), lempung (clay), lanau (silt) , dan lumpur (mud), digunakan untuk menggambarkan ukuran
12|Dasar-Dasar Mekanika Tanah partikel pada batasan ukuran butiran yang telah ditentukan, sekaligus digunakan untuk menjelaskan sifat fisis tanah. Contohnya, tanah lempung adalah jenis tanah yang bersifat plastis dan kohesif, sedangkan pasir adalah jenis tanah yang tidak plastis dan tidak kohesif (non-kohesif). Akan tetapi hampir tidak ada tanah di alam yang hanya terdiri atas satu macam ukuran partikel saja, melainkan tanah merupakan pencampuran dari beberapa konsistensi partikel tanah. Sedangkan istilah tanah residual (residual soil) dan tanah terangkut (transported soil), digunakan untuk menggambarkan tempat tanah dan asal terjadinya proses pelapukan.Partikel material tanah dapat bervariasi antara lebih besar dari 100 mm sampai yang berukuran lebih kecil dari 0,001 mm. Interval ukuran butiran masing-masing jenis tanah akan diuraikan lebih lanjut pada pembahasan klasifikasi tanah. Mekanika tanah pada dasarnya merupakan studi tentang tanah dan propertinya sehubungan dengan tujuan konstruksi.Mekanika tanah adalah disiplin teknik sipil yang memprediksi karakteristik kinerja tanah, dengan menggunakan teknik statika, teknik dinamika, mekanika fluida, dan teknologi lainnya. Mekanika tanah meliputi studi komposisi tanah, kekuatan, konsolidasi, dan penggunaan prinsip hidrolik, untuk menangani masalah yang menyangkut sedimen dan endapan lainnya. Mekanika tanah adalah salah satu ilmu utama untuk menyelesaikan masalah yang juga berkaitan dengan geologi teknik. Studi mekanika tanah sangat penting bagi insinyur sipil karena berdasarkan temuan studi mekanika tanah, struktur rekayasa dapat dirancang-bangun. Jenis konstruksi, jenis peralatan yang akan digunakan, jenis pondasi, bahan pendukung, dan banyak aspek pekerjaan konstruksi lainnya sangat dipengaruhi oleh hasil dari studi mekanika tanah. Pada dasarnya mekanika tanah mempelajari tentang proses pembentukan tanah, sifat fisik dan kimia tanah, kompresibilitas tanah, permeabilitas, konsolidasi, dan lain sebagainya.
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 13 1.2.Pembentukan Tanah Tanah adalah kombinasi mineral dan unsur organik yang berbentuk padat, gas, dan berair. Tanah terdiri dari lapisan partikel yang berbeda dari bahan aslinya dalam sifat fisik, mineralogi, dan kimia, karena interaksi antara atmosfer dan hidrosfer atau sebab lainnya. Partikel tanah terbentuk dari batuan yang pecah yang telah berubah karena efek kimia dan lingkungan, termasuk cuaca dan erosi. Partikel tanah tersusun secara longgar, menciptakan formasi tanah yang terdiri dari ruang pori. Mempelajari mode pembentukan tanah sangat penting karena membantu dalam menentukan sifat tanah. Kohesivitas, daya gesekan, keasaman tanah, dan faktor terkait lainnya dapat dengan mudah ditentukan dengan mengetahui tentang jenis tanah yang harus dihadapi. Kita tidak bisa menarik kesimpulan konkret hanya dengan melakukan studi tanah tapi kita pasti bisa mempersempit parameter penelitian kita dengan mempelajari karakteristik dasar tanah seperti warna, tekstur, dan sifat tanah. Tanah terdiri dari berbagai fase padat, cair, dan gas,dimana karakteristiknya bergantung pada perilaku fase interaksi ini, dan pada tegangan yang diterimanya. Fasa padat meliputi tanah liat, mineral non-tanah liat, dan bahan organik. Unsur-unsur ini dikategorikan menurut ukurannya seperti tanah liat, pasir, dan kerikil. Fasa cair terdiri dari air yang mengandung senyawa organik yang tersedia dari tumpahan kimiawi, limbah, dan air tanah, sedangkan fasa gas biasanya udara. Ukuran, bentuk, sifat kimia, kemampuan kompresibilitas, dan daya dukung muatan partikel tanah ditentukan oleh mineralogi tanah, yang merupakan ilmu yang terkait dengan kimia, struktur, dan sifat fisik mineral. Struktur tanah tergantung pada susunan partikel, kelompok partikel, ruang pori, dan komposisinya. Karakteristik dasar ini menentukan jenis struktur yang akan dibangun dan tindakan dukungan eksternal apa, jika ada, harus diambil untuk
14|Dasar-Dasar Mekanika Tanah membuat struktur tersebut bertahan lama dan menanggung dampak gempa, rembesan air, dan faktor eksternal lainnya. Konsolidasi tanah juga merupakan faktor penting yang perlu dipelajari untuk membuat struktur yang kuat dan tahan lama. Konsolidasi adalah prosedur yang menurutnya volume tanah berkurang, oleh penerapan tekanan karena partikel tanah digabungkan secara rapat, sehingga menurunkan volume. Dengan pemindahan tekanan, tanah akan terpental kembali dan memulihkan sebagian volume yang hilang selama proses konsolidasi. Sementara mempelajari konsolidasi, faktor penting yang harus dianalisis adalah tingkat konsolidasi dan jumlah konsolidasi. Faktor penting lainnya adalah permeabilitas tanah. Semua faktor terkait erat satu sama lain dan mempengaruhi keseluruhan desain dan proses konstruksi. Misalnya, jika strukturnya dibangun di atas tanah dengan butiran halus yang memiliki permeabilitas rendah, aliran air melalui rongga tanah akan berkurang. Kandungan air yang besar di tanah ini dapat menyebabkan struktur meresap karena beratnya. Proses konsolidasi di tanah berbutir halus ini lambat. Namun, ekstraksi air pori sederhana di tanah berbutir kasar karena bergerak bebas di dalam wilayah. Tingkat konsolidasi akan dipengaruhi oleh sejarah tanah, sifat tanah, dan beban pada tanah. Dengan demikian semua faktor seperti permeabilitas kadar air, konsolidasi, batas cair dianalisis secara kolektif.Studi mekanika tanah dapat juga digunakan untuk menentukan tekanan tanah lateral, daya dukung tanah, dan analisis stabilitas lereng. Studi semacam ini selalu membantu seorang insinyur sipil untuk merancang dan membangun struktur yang lebih baik, dan secara tidak langsung studi ini membantu dalam mitigasi risiko, juga karena jika kita tahu sebelumnya bagaimana massa tanah akan berperilaku, kita dapat melakukan tindakan pencegahan kerusakan atau kerusakan terhadap konstruksi yang dibangun.
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 15 Gambar 1.1. Komposisi Tanah Dalam Berbagai Kondisi 1.3.Indeks Properti Tanah Sebagaimana yang telah diuraikan sebelumnya bahwa sifat fisis atau properti tanah dasar pada suatu konstruksi, sangat mempengaruhi berbagai elemen konstruksi yang akan dibangun di atasnya. Properti tanah ditunjukkan dengan berbagai parameter yang disebut dengan indeks properti atau indeks sifat-sifat fisis tanah, seperti berat volume, kadar air, porositas, angka pori, derajat kejenuhan, derajat kepadatan, derajat kerapatan, berat jenis, analisis butiran, batas cair, batas plastis, batas susut, dan sebagainya. Sedangkan parameter seperti, koefisien konsolidasi, kohesi, sudut geser dalam, dan lain sebagainya adalah merupakan parameter teknis tanah, yang dipengaruhi oleh sifat-sifat fisis tanah. 1.3.1.Berat Volume Tanah Material tanah dapat terdiri atas dua atau tiga unsur, yakni butiran, air dan udara. Pada dalam kondisi tanah jenuh terdapat dua unsur, yakni butiran dan air, dan pada tanah yang kering juga hanya terdapat dua unsur yakni butiran dan udara. Sedangkan pada tanah dengan kondisi tak jenuh terdapat tiga unsur, yakni butiran, air dan udara. Ketiga kondisi tersebut dapat diilustrasikan sebagai berikut : (a) Tanah (butir+pori) (b) Tanah Jenuh (butir + air) (c) Tanah Kering (butir+udara) (d) Tanah Tak Jenuh (butir+air+udara)
16|Dasar-Dasar Mekanika Tanah W V Wa=0 Ww Ws Va Vw Vs Vv Masing-masing elemen tanah tersebut (butir, air dan udara), memiliki volume dan berat. Untuk memahami sifatsifat tanah secara fisis, maka parameter tanah harus dijabarkan lebih terperinci sebagai berikut : Gambar 1.2. Diagram Fase Tanah Keterangan : W = berat total tamah Wa = berat udara = 0 (diabaikan) Ww = berat air V = volume total tanah Va = volume udara Vw = volume air Vv = volume pori Vs = volume butir Dari gambar diagram fase tanah di atas, dapat dirumuskan beberapa hubungan sebagai berikut : 1. Berat tanah (W) = Ws + Ww .............(1.1) 2. Volume pori (Vv) = Vw + Va ............(1.2) 3. Volume tanah (V) = Vs+Vw +Va.............(1.3) (V) = Vs + Vv ..............(1.4) Selanjutnya berat volume tanah dapat dirumuskan sebagai berikut :
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 17 1. Berat Volume Basah : adalah perbandingan antara berat butiran tanah termasuk air dan udara (W) dengan volume total tanah (V). Parameter ini dituliskan dengan formula sebagai berikut : b = V W ................................(1.5) 2. Berat Volume Kering : adalah perbandingan antara berat butiran padat (Ws) dengan volume total tanah (V). Parameter ini dituliskan dengan formula sebagai berikut : d = V Ws ..................................(1.6) 3. Berat Volume Butiran Padat : adalah perbandingan antara berat butiran padat (WS) dengan volume butiran padat (Vs). Parameter ini dituliskan dengan formula sebagai berikut : s = Vs Ws ..................................(1.7) 1.3.2.Porositas dan Angka Pori Tanah 1. Porositas (porosity) : adalah perbandingan antara volume rongga (Vv) dengan volume total (V). Nilai porositas dapat dinyatakan dalam satuan persen (%) atau dalam satuan decimal. Parameter ini dituliskan dengan formula sebagai berikut : n = V Vv .................................(1.8) 2. Angka Pori : adalah perbandingan antara rongga (Vv) dengan volume butiran (Vs). Parameter ini dituliskan dengan formula sebagai berikut : e = Vs Vv ..................................(1.9)
18|Dasar-Dasar Mekanika Tanah 1.3.3.Kadar Air dan Derajat Kejenuhan Tanah 1. Kadar Air (water content) : adalah perbandingan antara berat air (Ww) dengan berat butiran padat (Ws) di dalam massa tanah, yang dinyatakan dengan formula sebagai berikut : w = Ws Ww x 100 %................................(1.10) 2. Derajat Kejenuhan : adalah perbandingan antara volume air (Vw) dengan volume total rongga pori (Vv). Parameter ini dituliskan dengan formula sebagai berikut : S = Vv Vw x 100 %................................(1.11) Apabila tanah dalam kondisi jenuh air, maka nilai S = 1. Nilai derajat kejenuhan ini dapat digunakan untuk mengklasifikasi konsistensi tanah (lihat tabel berikut). Tabel 1.1 : Derajat Kejenuhan dan Konsistensi Tanah Konsistensi Tanah Derajat Kejenuhan (S) Tanah Kering 0,00 Tanah Agak Lembab > 0 – 0,25 Tanah Lembab 0,26 – 0,50 Tanah Sangat Lembab 0,51 – 0,75 Tanah Basah 0,76 – 0,99 Tanah Jenuh Air 1,00
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 19 1.3.4. Parameter turunan Dari parameter yang dijabarkan dari berat dan volume tanah, selanjutnya dapat diturunkan hubungan persamaanpersamaan untuk beberapa parameter tanah, antara lain : 1. Berat Jenis atau Berat Spesifik (Specific Gravity) : yaitu perbandingan antara berat volume butiran padat (s) dengan berat volume air (w) pada temperature 4oC, yang dapat dirumuskan sebagai berikut : Gs = s ................................(1.12) Nilai parameter Gs tidak berdimensi. Interval nilai Gs untuk berbagai jenis tanah, berkisar antara 2,58 sampai 2,75. Kecuali untuk jenis tanah humus dan gambut biasanya interval Gs antara 1,25 sampai 1,80. Nilai berat jenis untuk berbagai jenis tanah dapat dilihat pada Tabel 1.2 Berat Jenis (Gs) berbagai jenis tanah Jenis Tanah Berat Jenis (Gs) Kerikil 2,65 – 2,68 Pasir 2,65 – 2,68 Lanau Anorganik 2,62 – 2,68 Lempung Organik 2,58 – 2,65 Lempung Anorganik 2,68 – 2,75 Humus 1,37 Gambut 1,25 – 1,80 2. Hubungan antara angka pori dan porositas : e = n n 1 ................................(1.13)
20|Dasar-Dasar Mekanika Tanah n = e e 1 .................................(1.14) 3. Berat volume tanah basah dapat pula dinyatakan dalam rumus: b= e Gs w 1 (1 ) ...............................(1.15) 4. Berat volume tanah jenuh air (S=1), dinyatakan dalam rumus: sat= e G e s 1 ( ) ..............................(1.16) 5. Berat volume tanah kering sempurna (S=0), dinyatakan dalam rumus : d = e Gs 1 ................................(1.17) 6. Tanah terendam air, maka berat volume apung atau berat volume efektif dinyatakan dalam rumus : ‟= e Gs 1 ( 1) ...............................(1.18) atau : ‟ = sat – w ...............................(1.19) Yang mana : w = 1 t/m3 atau 9,81 kN/m 3 7. Kerapatan Relatif (Dr) : Tingkat kepadatan tanah granuler (butir kasar) di lapangan, yang dinyatakan dalam rumus : Dr= min e e e e maks maks ................................(1.20) Yang mana : emaks = kemungkinan angka pori maksimum emin = kemungkinan angka pori minimum e = angka pori pada kondisi tententu (real) di lapangan.
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 21 Yang dimaksud dengan angka pori maksimum adalah angka pori yang dimiliki dalam kondisi terlonggar pada suatu massa tanah. Angka pori maksimum ditentukan dengan menuangkan pasir kering dengan hati-hati tanpa getaran ke dalam cetakan (mould), yang telah diketahui volumenya. Dari nilai berat pasir di dalam cetakan, maka emaks dapat dihitung. Sedangkan angka pori minimum dapat ditentukan dengan memasukkan dengan gertaran pasir kering yang telah diketahui beratnya ke dalam mould yang telah diketahui volumenya. Kemudian dapat dihitung nilai angka pori minimum. Pada jenis tanah granuler (kerikil, pasir), nilai Dr digunakan untuk menyatakan hubungan antara angka pori nyata dengan batas-batas maksimum dan minimum dari angka porinya. Dari persamaan (1.17), dapat dituliskan sebagai berikut : d(maks)= 1 min e Gs ................................(1.21) atau : emin= maks s d G –1 .....................................(1.22) Analog dengan cara di atas, selanjutnya akan didapat nilai-nilai angka pori maksimum dan angka pori nyata di lapangan sebagai berikut : emaks= d min Gs –1.....................................(1.23) dan e= d Gs –1................................(1.24) Dengan subtitusi persamaan (1.22), (1.23) dan (1.24) ke dalam persamaan (1.20), maka didapat beberapa persamaan sebagai berikut ;
22|Dasar-Dasar Mekanika Tanah Dr = min e e e e maks maks = 1 1 1 1 min min d maks Gs w d Gs w d Gs w d Gs w Dr = d maks Gs w d Gs w d Gs w d Gs w min min = Dr= min min . d d d d d d maks maks ...............................(1.25) 8. Kepadatan Relatif atau Relative Compaction (Rc) : yaitu perbandingan antara berat volume kering tanah di lokasi dengan berat volume kering maksimumnya, yang dinyatakan dalam rumus : Rc = maks d d .....................................(1.26) Analog dengan persamaan di atas, dapat dituliskan pula rumus untuk kepadatan relative minimum (Ro), sebagai berikut : Ro = maks d d min .....................................(1.27) Hubungan antara kerapatan relative (Dr) dengan kepadatan relative (Rc) dapat dinyatakan dengan rumus berikut :
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 23 Rc = 1 Dr(1 Ro) Ro .....................................(1.28) Oleh Lee dan Singh (1971) merekomendasikan persamaan hubungan kerapatan relative dengan kepadatan relative sebagai berikut : Rc = 80 + 0,2 Dr .....................................(1.29) Dengan menggunakan nilai Dr dalam satuan persen (%). Contoh Soal 1.1 : Suatu contoh tanah tak jenuh yang diambil dari lokasi tanah urugan, mempunyai kadar air (w) = 20%, dan berat volume basah (b) = 2 gram/cm3 . Dengan mengambil berat jenis tanah Gs = 2,70 dan berat volume air w = 1 gram/cm3 : Diminta : 1) Hitunglah derajat kejenuhan dari contoh tanah tersebut. 2) Jika tanah kemudian mejadi jenuh, hitunglah berat volumenya. Penyelesaian : Ambil berat butiran padat (Ws) = 1 gram, Maka : w = Ws Ww Ww = w.Ws = 20% x 1 = 0,20 gram
24|Dasar-Dasar Mekanika Tanah Volume Air = Vw = w Ww = 1 0,2 = 0,2 cm3 Berat Total = W = Ws + Ww = 1 + 0,2 = 1,2 gram Berat Volume Basah = 2 gram/cm3 = V W Maka : Volume Total (V) = b W = 2 1,2 = 0,6 cm3 Volume Udara : Va = V – (Vw + Vs) = 0,6 – (Vw + wGs Ws . ) = 0,6 – {0,2 + (1 2,7) 1 x ) = 0,6 – (0,2+0,27) = 0,03 cm3 . Volume rongga = Vv = Vw + Va = 0,2 + 0,03 = 0,23 cm3 . Volume butiran = Vs = V – Vv = 0,6 – 0,23 = 0,37 cm3 . Derajat Kejenuhan = S = Vw Va Vw Vv Vw = 0,23 0,2 = 0,87 = 87% Angka Pori = e = 0,37 0,23 Vs Vv =0,62 Saat tanah jenuh, rongga terisi air seluruhnya, maka :
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 25 Ww = w.Vw = 1 x 0,23 = 0,23 gram Berat volume jenuh (sat) sat = 0,6 1 0,23 _ _ V Ws Ww volume satuan berat jenuh = 2,05 gram/cm3 = 19,62 kN/m3 . Contoh Soal 1.2 : Tanah pasir yang akan digunakan untuk urugan kembali (back fill), mempunyai berat volume basah b = 19,62 kN/m3 . Kadar air (w) = 10%, angka pori maksimum dalam keadaan paling longgar (emaks) = 0,64& angka pori minimum (emin) = 0,39. Diminta : Tentukan angka pori (e) tanah urugan kembali tersebut, dan kerapatan relative (Dr), bila diketahui berat jenis tanah urugan sebesar Gs = 2,65. Penyelesaian : Berat volume basah (b) = e Gs w 1 (1 ) 19,62 = e x x 1 2,65 9,81 (1 0,1) 19,62 .(1+e) = 28,60 19,62.e = 28,60 – 19,62 e = 19,62 8.98 = 0,46 Sehingga di dapat : Dr = min e e e e maks maks = 0,64 0,39 0,62 0,46 = 0,72
26|Dasar-Dasar Mekanika Tanah Contoh Soal 1.3 : Buktikanlah persamaan-persamaan berikut : (1) b= e Gs w 1 (1 ) (Persamaan 1.15) (2) sat = e G e s 1 ( ) (Persamaan 1.16) (3) d = e Gs 1 (Persamaan 1.17) Penyelesaian : Bila dianggap volume butiran padat (Vs) = 1 Maka fase kondisi tanah dapat digambarkan sebagai berikut : Pembuktian I : b= V Ws Ww V W ; karena : Ww = w.Ws ; Ws = Gs.w.Vs, maka : b= V Gs wVs wGs wVs V Ws w.Ws . . . . . ; Yang mana : V e Vs 1 1 ; maka :
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 27 b = e Gs w w 1 . .(1 ) (persamaan 1.14 terbukti) Pembuktian II : Volume air (Vw) = S.Vv = S.e (karena Vs = 1) Berat air (Ww) = w.Vw = w.Ws = w.Gs.w.Vs atau = w.Vw = w.S.e, sehingga dapat ditulis : w.S.e = w.Gs.w.Vs ; dengan Vs = 1, maka : S.e = w.Gs Persamaan di atas, sangat penting untuk membuat persamaan korelasi, seperti : Dari persamaan 1.14 : b = e Gs w w 1 . .(1 ) Dapat dituliskan sbb : b = e Gs w S e w e Gs S e Gs w 1 . . . 1 ) . . .(1 Bila tanah menjadi jenuh sepenuhnya, maka S=1, didapat : b =sat = e Gs w e w 1 . . Atau dapat dituliskan sebagai berikut : sat = e w G e 1 .( ) (persamaan 1.15 terbukti) Pembuktian III : d= V Ws ; karena Ws = Gs.Vs.w, maka d = V Gs.Vs.w Yang mana : V e Vs 1 1 ; maka : d = e Gs w 1 . (persamaan 1.16 terbukti)
28|Dasar-Dasar Mekanika Tanah 1.3.5.Parameter Batas-Batas Atterberg. Sebagaimana yang telah diuraikan sebelumnya bahwa untuk jenis tanah berbutir halus sifat plastisitasnya sangat penting untuk diketahui sebelum melakukan rancang bangun di atas lapisan tanah tersebut. Plastisitas tanah disebabkan adanya partikel mineral lempung dalam tanah. Plastisitas tanah menggambarkan kemampuan tanah dalam menyesuaikan perubahan bentuk (shape change) pada volume yang konstan tanpa terjadi retak-retak atau remuk pada tanah tersebut. Gambar 1.4. Diagram Batas-Batas Atterberg Konsistensi tanah sangat dipengaruhi oleh kadar air, yang mana tanah dapat berbentuk cair, plastis, semi padat, dan padat. Konsistensi adalah kedudukan fisik tanah berbutir halus pada kadar air tertentu. Konsistensi ini tergantung pada gaya tarik antar partikel lempung di dalam tanah. Pada tahun 1911, Atterberg suatu memberikan metode untuk menggambarkan batas-batas konsistensi tanah yang berbutir halus dengan mempertimbangkan kandungan kadar air di dalam tanah. Batas-batas tersebut dikenal dengan istilah “batas-batas Atterberg” yang teridiri atas ; batas cair (liquid limit), batas plastis (plastic limit), dan batas susut (shrinkige limit).
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 29 A. Batas Cair (Liquid Limit) Batas Cair adalah nilai kadar air tanah pada batas antara keadaan cair dengan keadaan plastis tanah, atau nilai batas atas pada daerah plastis. Pengujian batas cair dilakukan dengan Uji Casagrande (1948), yang mana contoh tanah dimasukkan ke dalam cawan Casagrande kemudian permukaannya diratakan, dan dialur (grooving) tepat ditengah. Selanjutnya dengan alat penggetar cawan tersebut diketuk-ketukan pada landasannya dengan tinggi jatuh 1 cm sebanyak 25 ketukan. Bila alur selebar 12,7 mm yang berada di tengah tertutup sampai batasan 25 ketukan, maka kadar air tanah pada saat itu merupakan “batas cair”. Karena sulitnya membuat percobaan yang memungkinkan alur tertutup tepat pada ketukan 25 kali, maka perlu dilakukan percobaan berulang-ulang dengan mengambil nilai ketukan antara 15 sampai 35 ketukan saat alur tertutup. Dari data tersebut dibuat grafik semilog, kemudian dicari berapa nilai kadar air pada ketukan ke-25. Kemiringan grafik semilog yang dibuat pada percobaan Casagrande ini adalah merupakan nilai Indeks Aliran (flow index), yang dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : 1 2 1 2 N N Log w w I F ................................(1.30) Yang mana : IF = Indeks aliran w1 = kadar air (%) pada N1 pukulan w2 = kadar air (%) pada N2 pukulan Nilai w1 dan w2, dapat dipertukarkan untuk memperoleh nilai positif agar dapat dilogaritmekan, tetapi arah kemiringan kurva harus diperhatikan (positif/negative).
30|Dasar-Dasar Mekanika Tanah Batas Cair (Liquid Limit) oleh Waterways Experiment Station di Mississipi (1949), mengusulkan formula sebagai berikut : tan 25 N LL wN ...............................(1.31) Yang mana : N = jumlah pukulan untuk menutup celah 0,5 inch (12,7mm) wN = kadar air tan = 0,121 : beberapa tanah tertentu nilainya tidak sama dengan 0,121. Gambar 1.5. Alat Casagrande & Grafik Hasil Pengujian
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 31 B. Batas Plastis (Plastic Limit) Batas plastis didefinisikan sebagai nilaikadar air pada kedudukan antara daerah plastis dengan daerah semi padat. Nilai batas plastis ini ditentukan dengan percobaan menggulung tanah hingga diameter 3,2 mm dan mulai mengalami retak-retak. Kadar air tanah yang digulung dalam kondisi tersebut merupakan nilai “batas plastis” tanah. Gambar 1.6. Uji Batas Plastis dengan Gulungan Tanah ± 3,2 mm C.Batas Susut (Shrinkage Limit) Batas susut adalah nilai kadar air pada kedudukan antara zone semi padat dengan zone padat. Pada kondisi ini pengurangan kadar air dalam tanah tidak akan mempengaruhi lagi pengurangan volume pada tanah. Percobaan untuk mengetahui batas susut dilakukan dengan mengisi tanah jenuh sempurna ke dalam cawan porselin berukuran diameter 44,4 mm dan tinggi 12,7 mm. Selanjutnya cawan dan tanah isinya dikeringkan dalam oven. Setelah tanah dalam cawan mengering, selanjutnya dikeluarkan dari cawan tersebut. Untuk mengetahui nilai batas susut, maka sampel yang telah kering dicelupkan ke dalam air raksa, dan nilai batas susutnya dihitung dengan persamaan berikut :
32|Dasar-Dasar Mekanika Tanah 100% ( ) ( ). 2 1 2 2 1 2 x m v v w m m m SL ........(1.32) Yang mana : m1 = berat tanah basah dalam cawan percobaan (gram) m2 = berat tanah kering oven (gram) v1 = volume tanah basah dalam cawan percobaan (cm3 ) v2 = volume tanah kering oven (cm3 ) w = berat volume air (gram/cm3 ) Gambar 1.7. Uji Batas Susut dengan Cawan Berisi Air Raksa Nilai dari batas-batas Atterberg di atas, sangat penting di dalam menentukan klasifikasi dan identifikasi tanah. D.Indeks Plastisitas (Plasticity Index) Indeks Plastisitas (PI) adalah selisih antara batas cair dengan batas plastis pada tanah. PI = LL – PL ...............................(1.33) Indeks plastisitas menunjukkan sifat keplastisan tanah, jika nilai PI tinggi maka tanah mengandung banyak lempung, dan jika nilai PI rendah maka tanah mengandung banyak lanau. Ciri dan sifat dari tanah lanau adalah dengan kadar air yang
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 33 berkurang sedikit saja tanah akan menjadi kering.Oleh Atterberg diberikan batasan nilai Indeks Plastisitas dengan sifat-sifat, ragam tanah dan kohesifitasnya, sebagai berikut : Tabel 1.4 Nilai Indeks Plastisitas dan Ragam Tanah PI SIfat Ragam Tanah Kohesi 0 Non Plastis Pasir Non Kohesif < 7 Plastisitas rendah Lanau Kohesif sebagian 7 – 17 Plastisitas sedang Lempung berlanau Kohesif > 17 Plastisitas tinggi Lempung Kohesif E. Indeks Cair (Liquidity Index) Indeks Cair adalah kadar air tanah asli relative yang berada pada kedudukan plastis dan cair. Indeks cair (LI) dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : PI w PL LL PL w PL LI N N ................................(1.34) Yang mana : wN = kadar air di lapangan Dari persamaan di atas, dapat terlihat bahwa : Bila wN = LL, maka LI = 1 Bila wN = PL, maka LI = 0 Dengan demikian maka dapat disimpulkan bahwa : 1. Nilai LI berada antara 0 sampai 1. 2. Untuk tanah yang plastis maka LL > wN> PL 3. Jika kadar air tanah bertambah dari PL menuju LL, maka nilai LI juga akan bertambah dari 0 sampai 1.
34|Dasar-Dasar Mekanika Tanah 1.3.6.Analisis Butiran Tanah. Sifat dan karakteristik tanah sangat dipengaruhi oleh komposisi dan ukuran butirannya. Oleh karena itu maka pengklasifikasian tanah selalu didasarkan pada ukuran butiran tanah, sehingga investigasi tanah selalu diawali dengan pengujian analisis butiran. Analisis ukuran butiran tanah adalah penentuan prosentase berat butiran pada ukuran diameter tertentu. Untukmenganalisis ukuran butiran tanah,perlu dilakukan dua pengujian yang simultan, dan tak dapat dipisahkan satu sama lain, yakni : analisis saringan (sieve analysis), dan analisis hydrometer (hydrometer analysis). A. Analisis Saringan Analisis saringan dipergunakan untuk mengetahui distribusi ukuran butiran tanah yang berbutir kasar (granuler), yang dilakukan terhadap sampel tanah yang kering. Pelaksaan pengujian ini adalah dengan melakukan penyaringan bersusun pada satu unit alat saringan standar. Berat tanah yang tertinggal pada setiap saringan ditimbang, lalu diprosentasekan terhadap berat total sampel tanah yang dianalisis. Susunan saringan berdasarkan standar ASTM (American Standard of Testing Material), dapat dilihat pada tanel berikut : Tabel 1.3 Susunan Saringan berdasarkan ASTM No. Saringan Diameter Lubang (mm) No. Saringan Diameter Lubang (mm) 3 6,35 40 0,42 4 4,75 50 0,30 6 3,35 60 0,25 8 2,36 70 0,21 10 2,00 100 0,15
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 35 16 1,18 140 0,106 20 0,85 200 0,075 30 0,60 Gambar 1.8. Alat Analisis Saringan (Sieve Analysis Equipment) B. Analisis Hidrometer Analisis hidrometer dilakukan untuk mengetahui distribusi ukuran butir tanah yang berbutir halus atau bagian halus dari tanah berbutir campuran (common soil). Sampel tanah yang akan diuji dengan analisis hydrometer, adalah partikel tanah yang lolos saringan No.200, dan terlebih dahulu harus bebas dari material organik, yang dimaksudkan agar zat organik yang belum merupakan bagian dari konsistensi tanah, tidak akan mengacaukan analisis hidrometer tersebut. Metode uji hidrometer didasarkan pada hukum Stokes mengenai kecepatan pengendapan butiran pada larutan suspensi. Menurut Stokes bahwa kecepatan mengendap butiran didapatkan dengan formula sebagai berikut : v = 2 18 D s w ................................(1.35)
36|Dasar-Dasar Mekanika Tanah Yang mana : v = kecepatan, atau ratio jarak terhadap waktu (L/t) w = berat volume air (gram/cm3 ) s = berat volume butiran padat (gram/cm3 ) = kekentalan air absolute (gram.det/cm3 ) D = diameter butiran tanah (mm) Selanjutnya bila persamaan di atas dijabarkan, dapat dihasilkan persamaan sebagai berikut : D = t L s w s w v 18. . 18. D = t L Gs w ( 1) 18. Bila memperhatikan satuan masing-masing variable di atas, dalam g.det/cm3 , w dalam g/cm3 , L dalam cm, dan D dalam mm ; maka didapat hubungan sebagai berikut : 10 D(mm) = ( )(60) ( ) ( 1). ( / ) 18. ( .det/ ) 3 3 t menit L cm Gs w g cm g cm D(mm) = t L Gs w ( 1). 30. Dengan menganggap :w = 1,00 g/cm3 , maka : D(mm) = ( ) ( ) . t menit L cm K ................................(1.36) Yang mana : 1 30. Gs K ................................(1.37) Dengan memperhatikan persamaan di atas, terlihat bahwa K adalah fungsi dari Gs dan yang besarnya tergantung pada temperature benda uji (butiran). Butiran yang lebih besar akan
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 37 mengendap lebih cepat, dan sebaliknya butiran yang lebih halus akan mengendap lebih lama di dalam larutan suspensi. Hukum Stokes tidak efektif berlaku pada butiran yang lebih kecil dari 0,0002 mm. Hal ini disebabkan karena gerak turun butiran akan terpengaruh oleh gerak Brownian, yaitu gerakan yang diakibatkan oleh gaya di permukaan fluida. Uji hidrometer dilakukan dengan melarutkan sampel tanah yang telah bebas dari zat organic, ke dalam air destilasi yang dicampur dengan bahan pendeflokulasi (deflocculating agent), bahan anti pembekuan. Bahan ini dapat berupa sodium hexametaphosphate, yang dimaksudkan agar partikel-partikel butiran tanah tetap menjadi bagian terpisah satu dengan yang lainnya. Kemudian larutan suspensi tersebut dimasukkan ke dalam tabung hidrometer. Gambar 1.9. Alat Analisis Hidrometer & Skema Pengujian Pada uji hidrometer sampel tanah yang dipergunakan sekitar 50 gram kering oven. Diameter tabung hidrometer adalah 2,5 inch (=63,5 mm), tingginya 18 inch (=457,2 mm) dan volume 1000 ml. Alat hidrometer akan mengukur berat jenis larutan suspensi di sekitar balon hydrometer yang berada pada kedalaman L dari permukaan. Berat jenis suspensi itu
38|Dasar-Dasar Mekanika Tanah merupakan fungsi dari jumlah partikel tanah yang ada per volume satuan suspensi pada kedalaman L tersebut. Pada waktu t tersebut, partikel-partikel tanah dalam suspensi di kedalaman L akan berdiameter yang lebih kecil dari D, sedangkan partikel yang lebih besar telah mengendap di luar zone pengukuran. Alat hidrometer dirancang untuk memberikan jumlah tanah (gram) yang masih terdapat dalam suspensi, dan dikalibrasi untuk tanah yang mempunyai berat jenis Gs = 2,65. Sehingga untuk tanah yang berbeda jauh dari Gs kalibrasi tersebut harus dilakukan koreksi kalibrasi. Dari uji hidrometer distribusi ukuran butir tanah digambarkan dalam bentuk kurva semilog, ordinat grafik merupakan persen berat butiran yang lebih kecil daripada ukuran butiran yang diberikan dalam absis.Untuk tanah campuran (common soil), uji analisis saringan dan uji hydrometer harus dilakukan sehingga distribusi tanah secara lengkap dapat diperjelas. Tanah dikatakan bergradasi baik bila distribusi ukuran butirannya tersebar secara meluas (bervariasi). Sedangkan tanah disebut bergradasi buruk bila jumlah berat butirannya sebagian besar mengelompok dalam batas interval diameter gradasi seragam (interval sempit), atau dominan butirannya berukuran besar atau berukuran kecil sedangkan butiran ukuran sedang relative kurang. Dalam diskripsi keragaman butiran tanah dikenal istilah D10, artinya sebanyak 10% dari berat butiran tanah berdiameter lebih kecil dari ukuran tertentu. Sebagai contoh bila dituliskan D10 = 0,45 mm, berarti bahwa terdapat 10% berat butiran tanah tersebut berdiameter kurang dari 0,45 mm.Dari kemiringan dan bentuk umum pada kurva distribusi butiran tanah dapat digambarkan koefisien keragaman (coefficient of uniformity = Cu), serta kefisien gradasi (coefficient of gradation=Cc), yang dapat dirumuskan masing-masing sebagai berikut :
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 39 10 60 D D Cu ................................(1.38) ( ).( ) ( ) 60 10 2 30 D D D Cc ................................(1.39) Yang mana : Cu = koefisien keragaman butir tanah (coefficient of uniformity). Cc = koefisien gradasi butir tanah (coefficient of gradation), D10 = diameter lubang saringan (=diameter butir), dengan 10% dari berat butir tanah yang lolos pada saringan tersebut. D30 = diameter lubang saringan (=diameter butir), dengan 30% dari berat butir tanah yang lolos pada saringan tersebut. D60 = diameter lubang saringan (=diameter butir), dengan 60% dari berat butir tanah yang lolos pada saringan tersebut. Nilai koefisien ini digunakan untuk menggolongkan tanah, bahwa diisebut tanah bergradasi baik, jika : Untuk Tanah Berbutir Halus : 1 < Cc < 3 Cu > 15 Untuk Pasir (berbutir kasar) : 1 < Cc < 3 Cu > 6 Untuk Kerikil : 1 < Cc < 3 Cu > 4
40|Dasar-Dasar Mekanika Tanah BAB –II KLASIFIKASI TANAH 2.1. Pengertian Umum Klasifikasi tanah adalah ilmu yang berhubungan dengan kategorisasitanah berdasarkan karakteristik yang membedakan masing-masing jenis tanah. Klasifikasi tanah merupakan sebuah subjek yang dinamis yang mempelajari struktur dari sistem klasifikasi tanah, definisi dari kelas-kelas yang digunakan untuk penggolongan tanah, kriteria yang menentukan penggolongan tanah, hingga penerapannya di lapangan. Deskripsi maupun klasifikasi tanah dimaksudkan untuk memberikan keteranganmengenai sifat-sifat teknis dari tanah itu sendiri, sehingga untuk tanah-tanahtertentu dapat diberikan nama dan istilah–istilah yang tepat sesuai dengansifatnya. Klasifikasi tanah menggambarkan karakteristik mekanis dari tanah, juga menentukan kualitas tanah untuk tujuan perencanaan maupun dalampelaksanaan suatu konstruksi. Sistim klasifikasi yang dipakai dalam Mekanika Tanah dimaksudkan untuk memberikan keterangan mengenai sifatsifat teknis dari bahan-bahan itudengan cara yang sama seperti halnya pernyataan-pernyataan secarageologis yang dimaksudkan memberikan keterangan mengenai asalgeologis dari bahan-bahan itu. Metode-metode klasifikasi ini tidak boleh dicampur-baur, walaupundiperbolehkan untuk melampirkan keterangan geologis pada akhir dariketerangan Mekanika Tanah. Hasil dari penyelidikan sifat-sifat tanah inikemudian
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 41 dapat digunakan untuk mengevaluasi masalah-masalah tertentuseperti : (1)Penentuan penurunan bangunan, yaitu dengan menentukankompresibilitas tanah. Dari sini, selanjutnya digunakan dalampersamaan penurunan yang didasarkan pada teori konsolidasi, misalnyateori Terzaghi atau teori lainnya; (2)Penentuan kecepatan air yang mengalir lewat benda uji gunamenghitung koefisien permeabilitas. Dari sini kemudian dihubungkandengan teori-teori yang ada, misalnya Hukum Darcy dan jaring arus(flownet) untuk menentukan debit aliran yang lewat struktur tanah; (3)Untuk mengevaluasi stabilitas tanah yang miring, yaitudengan menentukan kuat geser tanah. Dari sini kemudiandisubstitusikan dalam rumus statika (stabilitas lereng). Sistem Klasifikasi Tanah adalah suatu sistem penggolongan yang sistematis dari jenis–jenis tanah yang mempunyai sifat–sifat yang sama ke dalam kelompok– kelompok dan sub kelompok berdasarkan pemakaiannya (Das,1995). Sistem klasifikasi bukan merupakan sistem identifikasi untuk menentukan sifat-sifat mekanis dan geoteknis tanah. Karenanya, klasifikasi tanah bukanlah satu-satunya cara yang digunakan sebagai dasar untuk perencanaan dan perancangan konstruksi.Klasifikasi tanah sangat membantu perencana dalam memberikanpengarahan melalui cara empiris yang tersedia dari hasil pengalaman yangtelah lalu. Tetapi, perencana harus berhati-hati dalam penerapannyakarena penyelesaian masalah stabilitas, kompresi (penurunan), aliran airyang didasarkan pada klasifikasi tanah sering menimbulkan kesalahan yang signifikan (Lambe, 1979). Kebanyakan klasifikasi tanah menggunakan indeks tipe pengujian yangsangat sederhana untuk memperoleh karakteristik tanah. Karakteristik tersebut digunakan untuk menentukan kelompok atau klasifikasi tanah. Umumnya ,klasifikasi tanah didasarkan atas ukuran partikel yang
42|Dasar-Dasar Mekanika Tanah diperoleh dari analisissaringan (dan atau uji sedimentasi) serta plastisitas.Dari sudut pandangan teknis, secara umum tanahtanah ini dapatdigolongkan ke dalam kelas/macam pokok sebagai berikut : 1) Batu Kerikil (gravel) 2) P a s i r (Sand) 3) L a n a u (Silt) 4) Lempung (Clay) : - Lempung anorganik (anorganic clay) - Lempung organik (organic clay) Golongan Batu Kerikil danPasir seringkali dikenal sebagai kelas bahan-bahan yang berbutir kasar atau bahanbahantidak cohesif (non cohesive soils).Sedangkangolongan Lanau danLempung dikenal sebagai kelas bahan-bahan yangberbutir halus atau bahan-bahan yangcohesif (cohesive soils). 2.2.Metode Klasifikasi Tanah Sistem klasifikasi tanah dibuat pada dasarnya untuk memberikan informasi tentang karakteristik dan sifat-sifat fisis tanah. Karena variasi sifat dan perilaku tanah yang begitu beragam, sistem klasifikasi secara umum mengelompokan tanah ke dalam kategori yang umum dimana tanah memiliki kesamaan sifat fisis. Klasifikasi tanah juga berguna untuk studi yang lebih terperinci mengenai keadaan tanah tersebut serta kebutuhan akan pengujian untuk menentukan sifat teknis tanah seperti karakteristik pemadatan, kekuatan tanah, berat isi dan sebagainya (Bowles, 1989). Klasifikasi tanah dapat dilakukan secara sistimatik yang didasarkan padahasil-hasil percobaan laboratorium atau dilakukan secara visual. Dalamkedua cara ini, prinsipprinsipnya sama, dan akan menghasilkan deskripsiatau klasifikasi yang sama pula.
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 43 Insinyur geoteknik umumnya mengklasifikasikan tanah berdasarkan karakteristik tekniknya dan hubungannya dalam membangun pondasi dan bangunan di atasnya. Sistem klasifikasi modern didesain untuk memudahkan perkiraan sifat dan perilaku tanah berdasarkan observasi di lapangan. Klasifikasi keteknikan yang paling banyak digunakan adalah klasifikasi Unified Soil Classification System(USCS). Klasifikasi USCS memiliki tiga kelompok utama, yaitu tanah dengan ukuran partikel kasar (mengandung pasir dan kerikil), partikel halus (tanah lempung dan liat), dan tanah dengan kadar organik tinggi (misal tanah gambut). Sistem tanah untuk keteknikan lainnya yaitu AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). Klasifikasi tanah secara menyeluruh membutuhkan banyak data yang terdiri dari warna, kadar air, kekuatan tekan, dan sifat-sifat lainnya.Terdapat beberapa sistem klasifikasi tanah yang dapat digunakan sebagai pedoman dalam mendeskripsi tanah. Sistem-sistem tersebut antara lain : 1. Metode Umum (General Method) 2. AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials). 3. USCS (Unified Soil Classification System) 4. USDA (United States Department of Agriculture) 5. Sistem Klasifikasi Tanah Nasional (Dudal & Soepraptohardjo, 1957; Soepraptohardjo, 1961), 6. Sistem FAO/UNESCO. 7. BSCS (British Soil Classification System) 2.3. Klasifikasi Berdasarkan Butir Tanah (Metode Umum) Sifat-sifat tanah sedikit banyaknya selalu tergantung pada ukuran butir-butirnya dan ini dipakai sebagai titik tolak untuk penentuan klasifikasiteknis dari tanah. Berdasarkan hal ini, tanah dibagi sebagai berikut :
44|Dasar-Dasar Mekanika Tanah Tabel 2.1. Pembagian Jenis Tanah Berdasarkan Ukuran Butir Jenis Tanah Batasan Ukuran Butir Berangkal (Boulder) Kerakal (Cobblestone) Batu Kerikil (Gravel) Pasir Kasar (Course Sand) Pasir Sedang (Medium Sand) Pasir Halus (Fine Sand) Lanau (Silt) Lempung (Clay) >8 inci (20 cm) 3 inci – 8 inci (8 – 20 cm) 2 mm – 3 inci (2 mm – 8 cm) 0,6 mm – 2 mm 0,2 mm – 0,6 mm 0,06 mm – 0,2 mm 0,002 mm – 0,06 mm < 0,002 mm Untuk tanah-tanah yang berbutir kasar, maka sifatsifatnya sangat tergantung pada ukuran butirnya, sehingga distribusi ukuran butir-butir ituadalah satu-satunya sifat yang dipakai untuk mengklasifikasikan tanah-tanah granuler. Akan tetapi lain halnya dengan tanah berbutir halus. Pada tanahtanah yang berbutir halus diketahui bahwa tidak ada hubungan langsung antara sifat-sifatnya denganukuran butir-butirnya. Karena itu, untuk menyatakan sifat-sifat danmengklasifikasikannya dipakai metoda-metoda lain, yaitu terutama dengan percobaan Batas Atterberg dan/ataupercobaan Dilatansi. Dengan kata lain,apabila sudah jelas diketahui bahwa butir-butir tanah tertentu seluruhnyalebih halus dari 0,08 mm, maka tidak perlu lagi mengukur lebih lanjutukuran butirbutirnya, untuk menentukan apakah tanah itu lanau ataulempung. Penentuannya dilakukan atas dasar hasil-hasil percobaan-percobaan Batas Atterberg atau Dilatansi. Adalah penting untuk diketahui perbedaan antara istilah “lempung” dan “fraksi lempung” atau “lanau” dengan “fraksi lanau”. Lempung ;adalah suatu istilah yang dipakai untuk menyatakan tanah yangberbutir halus yang bersifat
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 45 seperti lempung, yaitu memiliki sifat kohesi,plastisitas, dan tidak memperlihatkan sifat dilatansi, sertatidak mengandung jumlahbahan kasar yang berarti. Fraksi lempung ;menunjukkan bagian berat butir-butir dari tanah yanglebih halus dari 0,002 mm. Lanau ;adalah suatu istilah yang dipakai untuk menyatakan tanah yangberbutir halus namun lebih kasar dari butiran lempung, yang sedikit memiliki sifat kohesi,dan tidak memiliki sifat plastisitas. Fraksi lanau ; adalah bagian beratbahan antara 0,002 – 0,06 mm. Dalam banyak hal, tanah itu terdiri dari ukuran-ukuran butir yang meliputibeberapa macam ukuran tersebut diatas. Untuk menyatakannya dipakaiistilah seperti ;kerikil kepasiran yaitu terutama terdiri dari batu kerikil,tetapi ada mengandung sejumlah pasir; pasir kelanauan yaitu lebihbanyak mengandung pasir, tetapi juga ada mengandung sejumlah lanau; dan lain sebagainya. Dengan sedikit pengalaman adalah mungkin melakukan klasifikasi danmenyatakan dengan tepat suatu tanah, sematamata dengan hanyamelihatnya, mengerjakannya, dan meremas kembali. Pada waktumelakukan hal ini harus diingat bahwa istilah-istilah yang dipakai dalam pernyataan mekanika tanah (pasir, lempung, dsb) hampir selalumempunyai arti yang sama dengan arti dalam pemakaian sehari-hari.Langkah pertama untuk meyatakan sesuatu tanah adalah menentukanapakah bagian terbesar dari tanah itu masuk ke dalam katagori pasir dankerikil ataukah kedalam kelompok lempung dan lanau.Garis pemisah antara kedua macam ini adalah batas antara ukuran pasirdan lanau ; yaitu 0,06 mm. Ukuran ini hampir tepat sama dengan ukuransaringan mesh No. 200, dan juga merupakan ukuran butir terkecil yangdapat dilihat dengan mata telanjang.Bila hampir seluruh tanah itu lebih kasar dari ukuran batas ini, maka diberinama yang sesuai, dengan
46|Dasar-Dasar Mekanika Tanah memperhatikan perbandingan relatip dariukuran butir-butir yang ada, sebagai dasar untuk menyatakannya. Misalnya : - Kerikil Kepasiran, suatu bahan ynag hampir seluruhnya terdiri darikerikil, tetapi ada mengandung sejumlah pasir. - Pasir Kelempungan,suatu bahan yang hampir seluruhnya terdiri dari pasir,tetapi ada mengandung sejumlah lempung. Cara yang paling baik dipakai untuk membedakan antara lempung danlanau adalah dengan percobaandilatansi, yaitu sedikit jumlah tanah lunak (cukup basah sehingga hampirhampir lekat), diletakkan ditangan terbukadan diguncangguncang secara mendatar. Dengan lanau, air akan munculpada permukaannya dan akan hilang bila contoh tanah itu kemudianditekan diantara jari atau dibengkokkan. Dengan lempung, hal ini tidak akan terjadi. Dalam beberapa hal, reaksi terhadap percobaan dilatansi initidak begitu tegas, maka tanah itu harus diklasifikasikan sebagailempung kelanauan ataulanau kelempungan.
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 47 Gambar 2.1. Klasifikasi Tanah Berdasarkan Komposisi Butiran
48|Dasar-Dasar Mekanika Tanah 2.4. Klasifikasi Tanah di Lapangan. Untuk mengklasifikasi tanah dari hasil pengeboran di lapangan biasanya didasarkan pada cara visual. Metode deskripsi dan klasisifikasi tanah yang berdasarkan parameter laoratorium hanyadapat dilakukan setelah dilakukan pengujian. Adalah sangat pentingbahwasanya keterangan-keterangan perlu diberikan untuk mendeskripsikan contoh-contoh asli, terutama pada waktu memotong danmengambil contoh-contoh tersebut dari lubang bor.Keterangan-keterangan tambahan yang harus ditambahkan pada deskripsiitu adalah sebagai berikut : 1) Pasir dan Kerikil Sifat tanah ditempat yang paling penting adalah kepadatan atau derajatpemadatan. Istilah-istilah lepas, kepadatan sedang, padat dan sangatpadat, dipakai untuk menyatakan sifat-sifat ini. Sebagai tambahan,beberapa pasir dan kerikil mempunyai lapisan yang nyata, ataumengandung daerahdaerah lempung, atau potongan-potongan akar.Hal-hal demikian harus dicatat. 2) Lanau dan Lempung Sifat setempat yang paling penting adalah kekuatannya (atau keadaanwujudnya), dan istilah-istilah yang dipakai untuk menerangkannya,sesuai dengan kekuatan yang bersangkutan, seperti ; stiff clay, hard clay, soft clay, very soft clay, dan lain sebagainya. Disamping tingkat kekuatan ini, harus pula diberikan keterangan menganai struktur bahan, terutama mengenai apakah homogen,berlapis-lapis, berongga dan sebagainya. Urutan yang baik untuk menerangkan tanah asli, sebagai berikut : Nama Bahan / Kekuatan atau Kepadatan / Warna / Keterangan Contoh-contoh deskripsi yang khas adalah sebagai berikut : - LANAU ; lunak, biru pucat mengandung jalur-jalur bahan organik.
Dasar-Dasar Mekanika Tanah| 49 - PASIR ; rapat, abu-abu tua, hanya pasir halus dan ukuran sedang,homogen, kadang-kadang disana-sini terdapat kulitkerang. 2.5. Metode Klasifikasi USDA. Pada tahun 1960, United State Department of Agriculture (USDA) memperkenalkan sistem klasifikasi tanah yang baru yang disebut Comprehensive System atau Soil Taxonomy. Sistem klasifikasi tanah ini lebih banyak menekankan pada morfologi dan kurang menekankan pada faktor-faktor pembentuk tanah. Sistem klasifikasi tanah berdasarkan tekstur tanah, distribusi ukuran butir dan plastisitas tanah menurut USDA,adalah : a. Pasir : ukuran butiranantara 2,0 – 0,05 mm b. Lanau : ukuran butiran 0,05– 0,002 mm. c. Lempung : ukuran butiran < 0,002 mm Soil Taxonomy (USDA, 1975) menggunakan 6 kategori yaitu ordo, sub ordo, great group, sub group, family dan seri. a. Ordotanah ; dibedakan berdasarkan ada tidaknya horizon penciri serta jenis (sifat) dari horison penciri tersebut. b. Sub-ordotanah ; dibedakan berdasarkan perbedaan genetik tanah, misalnya: ada tidaknya sifat-sifat tanah yang berhubungan dengan pengaruh: (1) air, (2) regim kelembaban, (3) bahan induk utama, dan (4) vegetasi. Untuk tanah ordo histosol (tanah organik) yang digunakan adalah tingkat pelapukan dari bahan organik pembentuknya: fibris, hemis, dan safris. c. Great Group Tanah ; great grup dibedakan berdasarkan perbedaan: (1) jenis, (2) tingkat perkembangan, (3) susunan horison, (4) kejenuhan basa, (5) regi suhu, dan (6) kelembaban, serta (7) ada tidaknya lapisan-lapisan penciri lain, seperti: plinthite, fragipan, dan duripan.
50|Dasar-Dasar Mekanika Tanah d. Sub Group Tanah ; sub grup dibedakan berdasarkan: (1) sifat inti dari great group dan diberi nama Typic, (2) sifat-sifat tanah peralihan ke: (a) great group lain, (b) sub ordo lain, dan (c) ordo lain, serta (d) ke bukan tanah. e. Famili Tanah ; bagian famili tanah dibedakan berdasarkan sifat-sifat tanah yang penting untuk pertanian dan atau engineering, meliputi sifat tanah: (1) sebaran besar butir , (2) susunan mineral liat, (3) regim temperatur pada kedalaman 50 cm. f. Seri Tanah ; bagian ini dibedakan berdasarkan: (1) jenis dan susunan horison, (2) warna, (3) tekstur , (4) struktur , (5) konsistensi, (6) reaksi tanah dari masing-masing horison, (7) sifat-sifat kimia tanah lainnya, dan (8) sifatsifat mineral dari masing-masing horison. Penetapan pertama kali kategori Seri tanah, digunakan nama lokasi tersebut sebagai penciri seri. Gambar 2.2. Segitiga Taksonomi Tanah