Page 1
MEKANIKA TANAH I
References :
Das, B. M., 2002, Principles of Geotechnical
Engineering, 5th ed., Brooks/Cole Thomson Learning.
Hardiyatmo, H.C., 2004, Mekanika Tanah 1, Beta
Offset / Gama Press.
Craig, R.F. (1992), Soil Mechanics, Fifth Edition,
Chapman & Hall.
Page 2
Diskripsi Singkat (GBPP)
Mata kuliah ini membahas tentang:
1. Pengenalan umum (permasalahan dan aplikasi mekanika
tanah),
2. Tanah dan proses pembentukannya,
3. Sifat indeks (kadar air, berat jenis, berat satuan, angka pori,
derajat kejenuhan, analisis ukuran butir, batas Atterberg)
4. Klasifikasi tanah (BS, ASTM, AASHTO),
5. Pemadatan (laboratorium & lapangan, kontrol kepadatan),
6. Tegangan dalam tanah,
7. Rembesan (permeabilitas, uji permeabilitas laboratorium &
lapangan; tanah berlapis/anisotropis, flownet, tekanan
rembesan, rembesan pada bendungan tanah, filter),
8. Pengenalan kuat geser tanah.
Page 3
Klasifikasi :Ukuran butir
Ukuran butir dan sifat plastis
Lempung < 0.075 mm plastis/punya lekatan
Lanau < 0.075 mm non plastis/tak punya lekatan
Jenis B.S.
(Ø mm)
ASTM
(Ø mm)
Clay (lempung
Silt (lanau
< 0.002
0.002-0.06
< 0.002
0.002-0.075
HALUS
Sand (pasir)
Gravel (kerikil)
Cobbles
Boulder
0.06 - 2
2 - 60
60 – 200
> 200
0.075 – 4.75
4.75 – 75
75 – 300
> 300
KASAR
Page 4
Tanah di alam tercampur
Silty CLAY (LEMPUNG berlanau)
Clayey SAND (PASIR berlempung) dsb.
Lempung sifat dominan
Tanah organik pelapukan tananam/ hewan lunak, kompresibel,
proses pelapukan terus berlangsung
Tidak baik untuk dasar fondasi atau bahan tanggul/
bendungan
Sifat umum dan klasifikasi tanah :nama tanah, kadar air, berat volume, berat jenis, ukuran
butir & distribusi, batas cair & plastis, porositas, kejenuhan
Page 5
Sifat mekanis kuat geser :
- gesekan sudut gesek dalam ()
- kohesi c
Sifat lain :
- kompresibilitas penurunan
- permeabilitas rembesan
Kebaikan tanah tergantung fungsi
Umum : semakin padat semakin baik
Fungsi :
Bendung lempung baik
Drainasi pasir baik
Page 6
Tanah campuran lebih baik dari tanah sejenis
Kelemahan :
Lempung kembang susut
Pasir mudah tererosi
Lanau mudah terkikis, sukar dipadatkan, dan
c kecil.
Page 7
Soil elements Sr
Discontinuous water phase
Sr0 and uw0(c)
Continuous water and air phases
Sr1 and uw0(b)
Discontinuous air phase
Sr1 and uw0
(a)
Saturated soilSr1 and uw0
0 1
GWT
uw
(-)
(+)
Matric suction: s = ua - uw
s : solid
w : water
a : air
uw : water pressure
ua : air pressure
s
wa
Tanah jenuh sebagian
Mekanika tanah klasik
Tanah kering Saturated soil
0
0.25
0.5
0.75
1
1 10 100 1000 10000
Degre
e o
f satu
ration, S
r (-)
Suction, s (kPa)
m
1
a
A
B
1/1
0
)*10log(1
1
s
Sr
(Seker, 1983)
Page 8
Soil phase and consistency
Page 9
Phase penyusun tanah
udara
air
padat
Va
Vw
Vv
Vs
V
Ma = 0
Ms
Mw M(Mb)
udara
air
padat
e
1
0
w.Gs.w
Tanah : padat/butir
rongga (void) udara/gas
air
Page 10
Tanah jenuh air seluruh rongga terisi air
Vv = Vw, Va = 0
Tanah kering Seluruh rongga terisi gas/ udara :
Va = Vv, Vw = 0 Mw = 0
M = Ms = Md
Tanah di alam basah : Vv = Va + Vw
Mb = Mw + Ms
Kadar air (water content, moisture content),
w : rasio dari massa air dalam tanah terhadap massa padat
w (%) = Mw/Ms x 100
w (%) = (Mb – Md)/Md x 100
Derajat kejenuhan (degree of saturation), Sr
Sr = Vw/Vv 0 – 1 atau 0 – 100%
Page 11
Angka pori (void ratio), e
e = Vv/Vs
e besar tak padat, e kecilpadat
Porositas (porosity), n
n (%) = Vv/V x 100
e = n/(1-n) n = e/(1+e)
Specific volume (v) dianggap Vs = 1
v = 1 + e
Kandungan udara (air content), A
A = Va/V
Page 12
Kepadatan tanah (bulk density) ρb, ρ
ρb = Mb/V satuan Mg/m3 (t/m3 lama)
Mb ditimbang
V : - dipotong kubus/balok dihitung
- dicetak ring/tabung diukur/hitung
- dimasukan air raksa (Hg)
V = Massa Hg yang didesak/13.6
Specific gravity, Gs berat jenis
Gs = Ms/(Vs. ρw) = ρs/ ρw tanpa satuan
Penentuan di lab piknometer 50 mL
Page 13
kering1
1
)(
1
).(
1
)1(
e
G
airjenuhe
eG
e
eSrG
e
wG
wsd
wssat
wsws
Berat satuan/volume, (basah) = W/V = Mb.g/V
e
eSG
e
wG wrsws
1
).(
)1(
)1(
Hubungan unsur-unsur
Sr = w.Gs/e
jenuh air : Sr =1 e = wsat.Gs
A = (e-w.Gs)/(1+e) = n(1-Sr)
Page 14
Tanah jenuh air (sat), tanah kering (d)
Tanah terendam air (jenuh) berat satuan terapung
(’) = berat efektifpengaruh tekanan keatas
wsat
wswws
e
G
e
G
'
1
1
1
.'
Tanah berbutir kasar relative density (Dr)
10minmax
max
ee
eeDr
emax : e tanah paling tak padat
emin : e tanah paling padat
e : e tanah yang ditinjau
Page 15
Berat Volume & Hubungannya
Page 16
Name Equation Description
Void RatioRatio of the void volume to the
solid volume.
PorosityPercent of the total volume
that is taken up by the void.
Degree of SaturationPercent of the void that is
taken up by the water.
Water ContentPercent of the weight of water
to the weight of solids.
Unit WeightTotal density of the soil.
Includes solids and the void.
Dry Unit WeightDensity of the soil when it is
completely dried out.
Unit Mass, Dry Unit MassDensity of the soil and the dry
density of the soil.
Specific Gravity of Solids
Ratio of the density of solids
to the density of water.
Note:
Other Important
Relationships:
W=Ws+Ww
V=Vs+Vv=Vs+Vw+Va
Page 17
%W
Ww
s
w 100
e
Gγγ sw
d
1s
s
wG
Gwn
1
.
wγγ d 1
%V
V
s
w 100w %wGS
GwS
s
s100
..
w
%V
VS
v
w 100
Water content and Saturation
sw.GS.e
Basic volume-mass relationship
e
en
1w '
n
n
1e
Page 18
e
w).(.γGγ ws
1
1weGs ; ;
S=1 (jenuh)
S=0 (kering)
e
e)(Gγγ sw
sat
1
e
γGγ ws
d
1
Page 19
Contoh 1
Tanah di lapangan mempunyai angka pori e = 0,78; kadar air w = 20% dan
Gs = 2,65. Tentukan :
(a) Berat volume basah (b), berat volume kering (d), dan derajat
kejenuhan (S)
(b) Bila tanah pada keadaan jenuh sempurna, berapa kadar air dan sat
Page 20
Contoh 2
Tanah di lapangan mempunyai b = 19,8 kN/m3 dan w = 23%. Berapa kadar
airnya bila b menjadi 18,6 kN/m3 dengan angka pori dianggap tetap.
Page 21
Contoh 3 (1)
Contoh tanah diletakkan pada cetakan berbentuk silinder dengan diameter
10 cm dan tinggi 20 cm. Berat tanah dalam cetakan 3021 gram. Bila kadar
air tanah dalam cetakan w = 22,5%, hitung b ; d ; e dan S
Gs ditentukan dengan uji piknometer: Gs = 2,68.
Page 22
Gradasi Butir Tanah (Particle Size Distribution)
Ukuran butir tanah :
• analisa saringan/ayakan tanah berbutir kasar
• analisa pengendapan tanah berbutir halus (silt, clay)
Gradasi tanah (PSD) disajikan dengan grafik hubungan :
diameter (sumbu x, skala log) vs. % kumulatif fraksi yang
lebih kecil dari diameter yang bersangkutan.
Page 23
USCS
Definition of Grain Size
Boulders Cobbles Gravel Sand Silt & ClayCoarse Fine Coarse FineMedium
300 mm 75 mm
19 mm
No.4
4.75 mm
No.10
2.0 mm
No.40
0.425 mm
No.200
0.075
mm
Uji hidrometerUji saringan
Page 24
Analisa ayakan digunakan satu set ayakan standard
3 in. (75mm)
2 in. (50mm)
1 ½ in. (38.1mm)
1 in. (25.0mm)
¾ in. (19.0mm)
3/8 in. (9.5mm)
No. 4 (4.75mm)
No. 10 (2.00mm)
No. 20 (0.850mm)
No. 40 (0.425mm)
No. 60 (0.250mm)
No. 140 (0.140mm)
No. 200 (0.075mm)
Page 25
Misal massa total tanah yang diuji = M (kering oven)
M = a + b + c + d + e + f + g
Fraksi tanah < 0.074 mm = g/M x 100 % = p %
Fraksi tanah < 0.105 mm = (f+g)/M x 100 % = q %
Fraksi tanah < 0.25 mm = (e+f+g)/M x 100 % = r %
dan seterusnya......
atau :
Fraksi tanah < 2 mm = (M-a)/M x 100 %
Fraksi tanah < 0.84 mm = (M-(a+b))/M x 100 %
dan seterusnya......
diplotkan : sb - X sb - Y
0.074 mm p %
0.105 mm q %
0.25 mm r %
dst
Page 26
Analisa Pengendapan
Tanah berbutir halus (<0.074 mm) ukuran butir tanah dianalisa
dengan cara sedimentasi prinsip hukum Stoke : kecepatan
mengendap dari sebuah bola dengan diameter d mm dan
rapat massa s (gr/cm3) dalam zat cair dengan rapat massa t
dan kekentalan (poise) mempunyai kecepatan konstan :
v = L/T = (s - t) g d2/(30) cm/menit
digunakan air : t = w ; g = 980 cm/dt2
d = (30/(980(s-t)) .(L/T) mm
pada pengujian : s , w dan diketahui
Page 27
1. Cara pipet
Tanah yang digunakan < 0.074 mm (lolos saringan no 200)
misal g gram
Prinsip kerja :
tanah dicampur air 1 liter (1000 cc)
dikocok merata
diendapkan/didiamkan (t = 0), pada waktu-waktu tertentu
( Ti ), tanah + air (larutan) diambil pada kedalaman L ,
dengan d = C(L/Ti)
di atas L , tanah < C(L/Ti)
di bawah L , tanah > C(L/Ti)
Page 28
1. Cara pipet (cont‘d)
Larutan yang diambil : x cm3
dikeringkan oven butir-butir = y gram
pendekatan :
Pada 1000 cc tersebut sebanyak = (1000/x) y
dari butir-butir tanah berdiameter < C(L/Ti)
butir-butir C(L/Ti) = (1000/x) y . 1/g . 100 %
terhadap g
Terhadap tanah total bisa dihitung C konstan untuk suatu test
jika L konstan, Ti pada interval waktu-waktu tertentu
di & % butirnya
Page 29
1. Cara Hidrometer
Hidrometer pengukuran rapat massa larutan.
Larutan (air + tanah) mempunyai rapat massa
> w murni karena diendapkan butir-butir
mengendap berangsur-angsur berkurang
bisa dibaca pada waktu-waktu tertentu ti
di = C(L/Ti)
Memperhitungkan berat jenis suspensi yang tergantung dari berat
butiran tanah dalam suspensi pada waktu tertentu. Pengujian ini
dilakukan dengan menggunakan gelas ukuran dengan kapasitas
1000 ml yang diisi dengan larutan air, bahan pendispersi dan tanah
yang akan diuji.
Page 30
1. Cara Hidrometer (cont‘d)
Dasar analisa :
misal dalam 1 cm3 larutan mengandung x gram tanah dengan
rapat massa s . Rapat massa air w
Volume tanah = x/s cm3 ; volume air = 1 – x/s
massa air = (1 - x/s ) w gram
massa larutan = x + (1 - x/s ) w volume 1 cm3
rapat massa larutan = l terbaca pada hidrometer
l = x + (1 - x/s ) w
x = (s/(s - w) (l - w) pada 1 cm3
total = x . 1000 gram butir dengan :
C(zi/ti) ti berubah xi dengan i
Page 31
Catatan
air yang digunakan air destilasi, agar butir tidak lengket
dispersant
Hukum Stoke berlaku untuk satu bola butir-butir tidak
bulat sempurna d rata-rata butiran banyak
benturan diabaikan
butir-butir tidak sama s rata-rata
Hukum Stoke tidak berlaku untuk d < 0.0002 mm
Prinsip kerja Hukum Stoke butiran yang besar
mengendap lebih cepat
Jika ada bahan organik dihilangkan dengan hidrogen
peroksida.
Page 32
Contoh
Pengujian ukuran butir tanah dengan ayakan dan sedimentasi.
Dengan contoh 90 gram didapat data :
Page 33
Contoh tanah : 90 gram
0
20
40
60
80
100
0.010.1110
Diameter, mm
% lo
los
Page 34
Catatan (1)
Kemiringan grafik menunjukkan variasi butiran :
tegak uniform
landai wide range
Well-graded (gradasi baik) pasir/kerikil (< 5% fines)
tak ada fraksi yang berlebihan/kurang pada suatu ukuran
ditandai dengan grafik yang cekung dan halus/baik
umumnya
Poorly graded (gradasi jelek)
uniform
gap - graded (ada gap ditengah)
Page 35
Catatan (2)
D10 = diameter effektif
D10 : ukuran (diameter) dengan 10 % butir lolos
(contoh D10 = 0.015 mm)
D60 : diameter dengan 60 % butir lolos (D60 = 0.56 mm).
Coefficient of uniformity (koefisien keseregaman)
Cu = D60/D10 makin kecil makin seragam
Coefficient of curvature (koefisien kelengkungan)
CZ = D302/(D60.D10)
well graded : Cu > 4 - 6 dan Cz = 1 - 3
Page 36
0
25
50
75
100
0.0010.010.1110100
Diameter, mm
% lo
los
AB
CD
Tanah A : bergradasi baik (kerikil)
Tanah B : kerikil berlempung
Tanah C : bergradasi seragam (pasir)
Tanah D : lempung
Page 38
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0.0010.010.1110
Grain Diameter, mm
Per
cent
Fin
er,
%
Distribusi tanah
Uji: Analisa saringan & hidrometer
D10: Maximum size of the smallest 10%
D30: Maximum size of the smallest 30%
D50: Maximum size of the smallest 50%
D60: Maximum size of the smallest 60%
D10: Effective size (eg for permeability)
Cu: Coefficient of Uniformity = D60/D10
Cc: Coefficient of Curvature = (D30)2/(D60 xD10)
Page 39
Grain size distribution and soils classification
Simple indices
GSD, LL, PI
Classification
system
(Language)
Estimate
engineering
properties
Achieve
engineering
purposesUse the
accumulated
experience
Communicate
between
engineers
Classifying soils into groups with similar behavior, in terms
of simple indices, can provide geotechnical engineers a
general guidance about engineering properties of the soils
through the accumulated experience.
Page 40
Soils are usually cohesionless, cohesive, or organic.
Cohesionless soils have particles that do not tend to stick together. Mostly
composed of sand, maybe some silt.
Cohesive soils are characterized by very small particle sizes where surface
chemical effects predominate. They are both "sticky" and "plastic".
Organic soils are typically spongy, crumbly, and compressible. They are
undesirable for supporting structures.
The grain size distribution (gradation curve) and consistency of a soil are two
important physical measurements that are needed to determine the soil's suitability
onto which a structure can be built. This "suitability" is usually identified by placing
the soil into a classification using the USCS (Unified Soil Classification System).
Soil Characterization
Most soil classification systems used in construction classify soils based upon two
experimental characterizations of soil. These two measurements are (1) a grain-
size distribution curve , and (2) the Atterberg limits (or soil consistency). The grain-
size analysis can be either mechanical or with a hydrometer analysis. The
mechanical method uses sieves with the standardized openings