Program Studi Teknik SipilFakultas Teknik Sipil dan
PerencanaanUniversitas Mercu Buana7
MODUL 7 (MEKANIKA TANAH II)Tegangan Geser Tanah
1. PendahuluanBanyak masalah perencanaan dalam mekanika tanah
yang dapat digolongkan sebagai masalah deformasi. Namun hal ini
memerlukan pemahaman terinci terhadap sifat tekanan regangan waktu
( stress strain - time ) tanah yang sangat kompleks. Bagi masalah
penting tertentu, tanah dianggap sebagai bahan elastis atau
elastice plastis dan penyelesaiannya dilakukan dengan analisis
elemen hingga(finite elementary)memakai komputer.U
ntuk sebagian besar perencanaan perlu dipakai bentuk analisa
batas. Hal ini berdasarkan kenyataan bahwa terdapat rnekanisme
tertentu yang bekerja dalam kelongsoran struktur tanah yang
berbeda-beda.Penyederhanaan mekanisasi ini diperlihatkan dalarn
kasus-kasus berikut.
Problem dianalisa dengan mengasumsikan pada kondisi keseimbangan
batas, dengan tanah berada dalam keadaan longsor sepanjang
permukaan lingkaran longsor, berarti kekuatan geser bekerja
sepenuhnya. Bila keadaan ini dapat didekati, deformasi akan menjadi
tak terhingga besarnya sehingga deformasi dijaga pada suatu nilai
yang dapat diterima denganmencantumkan nilai faktor keamanan pada
kondisi longsor. Berdasarkan pengalaman diketahui berapa faktor
keamanan yang sesuai dengan permasalahan perencanaan tanah yang
umum. Sebagai contoh, dalam stabilitas lereng, deformasi umumnya
tidak kritis dan dapat digunakan faktor keamanan yang rendah (yakni
FS = 1,5). Untuk fondasi, deformasi lebih kritis sehingga umumnya
digunakan FS = 3.Penggunaan analisa-batas(limit analysis)yang
sederhana, memakai nilai faktor kuat geser tanah, mendominasi
perencanaan dan merupakan alasan mengapa teori kuat geser dan
pengukuran parameter kuat geser menjadi dominan dalam mekanika
tanah dan pengujian tanah.Pengetahuan tentang kekuatan geser
diperlukan untuk menyelesaikan masalah-masalah yang berhubungan
dengan stabilitas massa tanah. Bila suatu titik pada sembarang
bidang dari suatu massa tanah memiliki tegangan geser yang sama
dengan kekuatan gesemya, maka keruntuhan akan terjadi pada titik
tersebut. Kekuatan geser tanah (Tr) di suatu titik pada suatu
bidang tertentu dikemukakan oleh Coulomb sebagai suatu fungsi
linier terhadap tegangan normal(f) padabidang tersebut pada titik
yang sama, sebagai berikut
. (1)dimana c dan adalah parameter-parameter geser,,yang
berturut-turut didefinisikan sebagai kohesi(cohesion intercept atau
apparent cohesion)dan sudut tahanan geser (angle of shearing
resistance)
Berdasarkan konsep Terzaghi, tegangan geser pada suatu tanah
hanya dapat ditahan oleh tegangan partikel-partikel padatnya.
Kekuatan geser tanah dapat juga dinyatakan sebagai fungsi dari
tegangan efektif sebagai berikut :
(2)dimana c' dan ' adalah parameter-paramter kekuatan geser pada
tcgangan efektif Dengan demikian kcruntuhan akan tejadi pada titik
yang mengalami keadaan kritis yang disebabkan oleh kombinasi antara
tegangan geser dan tegangan normal efektif
2. Pengujian Kekuatan GeserParameter-parameter kekuatan geser
untuk suatu tanah tertentu dapat ditentukan dari hasil-hasil
pengujian laboratorium pada contoh-contoh tanah lapangan (in-situ
soil) yang mewakili. Diperlukan ketelitian dan perhatian yang besar
terhadap proses pengambilan contoh, penyimpanan contoh, dan
perawatan contoh sebelum pengujian, terutama untuk contoh tidak
terganggu (undisturbed), dimana struktut tanah di lapangan dan
kadar airnya harus dipertahankan. Untuk tanah lempung, benda uji
didapatkan dari tabung-tabung contoh atau kotak-kotak contoh.
Dalam laboratorium kuat geser dapat diperoleh dari tes- TesGeser
langsung- Tes Kuat tekan-bebas (Unconfined Compression Tes)- Tes
Triaksial
Untuk menentukan tipe tes yang digunakan, dapat dipertimbangkan
hal-hal berikut:
Pasir Bersih dan KerikilContoh tak-terganggu tak mungkin
diperoleh, untuk kebanyakan masalah pondasisudutgeser dalamdapat
didekati dari korelasinya dengan tahanan penetrasi, kepadatan
relatif dan dari klasifikasi tanah.Hasil yang lebih akurat dapat
diperoleh dariTes Geser langsung,rentang nilai dapat diperoleh dari
Tes geser langsung dari contoh dalam keadaanpaling lepasdanpaling
padat.
LempungUntuk kebanyakan masalah pondasi, Tes Kuat Tekan Bebas
pada contohtak-terganggumerupakan cara praktis untuk menentukan
kuat geser lempung. Nilai kohesi (c) dapat diambil 1/2 dari kuat
tekan beban (qu), dan-sudut geser dalam dapat dianggap nol.
Korelasi qu dengan tahanan penetrasi dapat digunakan.Tes Kipas
Geser (Vane)dapat dilakukan terhadap tanah lempuing sangat lunak
dan sulit diambil contoh tak terganggu.
Lanau dan Tanah CampuranUntuk tanah jenis ini sukar untuk
menformulasikan jenis tes yang dipakai, pendekatan yang konservatif
dapat diperoleh dari Tes Kuat Tekan Bebas..Jika kohesi dominan
sekali makasudut geser dalamdapat diabaikan. Jikakuat tekan
bebaskecil sekali, tanah dapat diperlakukan sebagai tanahgranular
(non kohesifdan sudut geser dapat diperoleh dariTes geser
langsung.Jika sulit untuk menentukan faktor mana yang dominan
antara c dan dapat digunakan tes Triaksial untuk Jika sulit untuk
menentukan faktor mana yang dominan antara c dan dapat digunakan
tes Triaksial
2.1. Uji TriaksialPengujian ini merupakan pengujian kekuatan
geser yang sering digunakan dan cocok untuksemua jenistanah.
Keuntungannyaadalah bahwa kondisi pengaliran dapat dikontrol,
tekanan air pori dapat diukur dan, bila diperlukan, tanah jenuh
dengan permeabilitas rendah dapat dibuat terkonsolidasi. Dalam
pengujian ini digunakan sebuah contoh berbentuk silinder dengan
perbandingan panjang terhadap diameter sebanyak 2. Contoh tersebut
dibebani secara simetri aksial seperti diperlihatkan pada gambar
11.1. Uji ini menggunakan sebuah perangkat alatuji
sepertidiperlihatkan pada gambar 11.2, dengan beberapa bagian
terpenting. Dasar alat yang berbentuk lingkaran memiliki sebuah
alas untuk meletakkan contoh tanah. Alas tersebut memiliki sebuali
lubang masuk yang digunakan untuk pengaliran air atau untuk
pengukuran tekanan air pori. Ada juga alas yang memiliki dua buah
lubang masuk, sebuah untuk pengaliran air dan sebuah lainnya untuk
pengukuran tekanan air pori.
Gambar 1. Sistem tegangan pada uji triaksial
Contoh ditempatkan di piringan atau piringan logam di atas alat
percobaan. Kemudian di atas contoh tersebut dibungkus dengan sebuah
selubung karet. Setelah itu digunakan cincin O yang diberi suatu
gaya tarik untuk menutup selubung karet tersebut pada sisi alas dan
sisi atasnya. Bila contoh yang digunakan adalah pasir maka contoh
tanah tersebut harus dibungkus dengan selubung karet dan
ditempatkan dalam sebuah tabung yang dirapatkan disekeliling alas.
Sebelum tekanan sel (all-round pressure diberikan sewaktu tabung
tersebut akan dipasang, digunakan sebuah tekanan negatif kecil
untuk mempertahankan stabilitas contoh. Sebuah saluran pengaliran
juga harus dibuat dari penutup beban sampai permukaan atas contoh,
sebuah tabung plastik yang fleksibel ditembuskan dari penutup beban
dan bagian akhir batang beban memiliki kedudukan yang kuat, beban
dialirkan melalui sebuah bola baja. Contoh tanah diberi tekanan
cairan menyeluruh pada intinya, sehingga bila mungkin diperbolehkan
adanya konsolidasi. Kemudian secara perlahan-lahan terjadi kenaikan
tegangan aksial dengan menggunakan beban tekan melalui batang
sampai terjadi keruntuhan pada contoh, biasanya pada bidang
diagonal. Sistem yang menggunakan tekanan menyeluruh tersebut harus
dapat mengatasi perubahan tekanan akibat kebocoran inti atau
perubahan volume contoh.
Tekanan sel disebut tegangan utama kecil, sedangkan jumlah
tekanan sel dan tegangan aksial yang digunakan disebut tegangan
utama besar, berdasarkan bahwa tidak ada tegangan geser pada
permukaan contoh. Sehingga tegangan aksial yang (digunakan tersebut
dinamakanselisih tegangan utama.Tegangan utama menengah
(intermediate principal stress) diambil sama besar dengan tegangan
utama kecil. Kondisi-kondisi tegangan tersebut dapat disajikan
dalam bentuk lingkaran Mohr atau titik tegangan pada setiap
pengujian dan khususnya pada keadaan runtuh. Bila beberapa contoh
diuji, masing-masing dengan harga tekanan sel yang berbeda-beda,
maka akan dapat digambarkan sebuah garis selubung keruntuhan dan
parameter-parameter kekuatan geser tanah tersebut dapat
ditentukan.
Pengukuran tekanan air pori.Tekanan air pori dari contoh tanah
pada uji triaksial dapat diukur, dengan demikian memungkinkan
hasil-hasil pengujian tersebut disajikan dalam tegangan efektif
Tekanan air pori harus dihitung dalam keadaan tanpa pengaliran (no
flow), baik pengaliran ke luar maupun ke dalam contoh. Jika tidak,
baru dilakukan koreksi terhadap harga tekanan tersebut. Ujung
contoh pada saat pengaliran terjadi pada ujung lainnya. Keadaan
tanpa pengaliran dipertahankan dengan menggunakan alat yang disebut
indikator botol, yang pada dasamya terdiri dari tabung - U yang
sebagian diisi merkuri.Kasus yang kbusus pada uji triaksial ini
adalahuji tekan tak terkekang(Unconfined Compreession Test) yang
menggunakan tegangan aksial untuk contoh dengan tekanan sel nol
(tekanan atmosfer). Pada pengujian ini tidak diperlukan adanya
selubung karet. Meskipun demikian, pengujian ini hanya digunakan
untuk lempung jenuh sempurna yang utuh.
Gambar 2 Alat Triaksial
Jenis-jenis pengujian.Terdapat berbagai macam kemungkinan
prosedur pengujian dengan alat triaksial, tetapi hanya ada tiga
jenis pengujian yang pokok, yaitu :
1. Tak terkonsolidasi - tak terdrainasi (Unconsolidated -
undrained).Contoh tanah mengalami tekanan se tertentu, kemudian
digunakan selisih tegangan utama secara tiba- tiba tanpa pengaliran
pada setiap taliap pengujian. (Prosedur untuk uji triaksial tak
terkonsolidasi - tak terdrainasi tersebut telah distandarisasikan
pada BS [13771. Rincian prosedur untuk uji tekanan tak - terkekang
yang menggunakan sebuah peralatan portabel juga diberikan pada BS
[1377].
2. Terkonsolidasi - tak terdrainasi (Consolidated - Undrained).
Pengaliran pada contoh tanah diperbolehkan di bawah tekanan sel
tertentu sampai konsolidasi selesai.Kemudian digunakan selisih
tegangan utama tanpa pengaliran. Pengukuran tekanan air pori
dilakukan selama keadaan tanpa pengaliran.
3. Terdrainasi (Drained). Pengaliran pada contoh tanah
diperbolehkan di bawah tekanan tertentu sampai konsolidasi selesai.
Kemudian, dengan pengaliran yang masih diperbolehkan, digunakan
selisih tegangan utama dengan kecepatan sedang untuk membuat
kelebiban tekanan air pori tetap nol.
Parameter-parameter kekuatan geser ditentukan oleh hasil dari
pengujian di atas yang hanya relevan bila kondisi pengaliran di
lapangan sesuai dengan kondisi pada pengujian. Kekuatan geser tanah
pada keadaan tak terdrainasi (tanpa pengaliran) berbeda dengan pada
keadaan dengan pengaliran. Di bawah kondisi tertentu, kekuatan
geser dalam keadaan tanpa pengaliran dinyatakan dalam tegangan
total, dengan parameter-parameter kekuatan gesemya dinotasikan
sebagaicudanu.Kekuatan geser dalam keadaan terdrainasi (dengan
pengaliran) dinyatakan dalam parameter-paramcter tegangan efektif
c' danPertimbangan terpenting dalam praktek adalah tentang
kecepatan perubahan tegangan total (akibat adanya pckerjaan
konstruksi) yang digunakan yang berhubungan dengan hilangnya
kelebihan air pori, dimana halini berkaitan dengan permeabilitas
tanah tersebut.
Keadaan tak-terdrainasi digunakan bila tidak ada kehilangan yang
berarti selama saat perubahan tegangan total. Hal ini biasanya
terjadi pada tanah yang permeabilitasnya rendah seperti lempung,
dan tedadi segera sesudah konstruksi selesai dibangun. Keadaan
terdrainasi digunakan pada saat kelebihan tekanan air pori nol; hal
ini terjadi pada tanah dengan permeabilitas rendah setelah
terkonsolidasi selesai dan akan mewakili situasi dalam jangka
panjang, yang dapat bertahun-tahun sesudali konstruksi selesai.
Keadaan terdrainasi -juga relevan bila kecepatan kehilangan dibuat
sama dengan kecepatan perubahan tegangan total; hal ini terjadi
pada tanah dengan permeabilitas tinggi seperti pasir. Oleh karena
itu, keadaan terdrainasi juga relevan untuk pasir, baik pada saat
segera sesudah konstruksi selesai maupun untuk jangka panjang. Bila
terjadi perubahan tegangan total secara tiba-tiba (misalnya bila
terjadi ledakan atau gempa), maka keadaan yang relevan untuk pasir
adalah keadaan terdrainasi. Dalam beberapa situasi, keadaan
terdrainasi sebagian digunakan pada akhir konstruksi, kemungkinan
disebabkan lamanya masa konstruksi atau tanah yang diuji memiliki
permeabilitas sedang. Dalam hal ini, kelebihan tekanan air pori
harus diperkirakan lebih dahulu, kemudian kekuatan geser tanah
dihitung dalam tegangan efektif, dengan menggunakan
parameter-parameter c' dan .
Kriteria Keruntuhan Mohr-CoulombKekuatan geser dapat dinyatakan
dalam tegangan utama besar 1dan 3danpadakekuatan runtuhdi titik
yang ditinjau. Garis yang dihasilkan oleh persamaan 2. Pada keadaan
runtuh merupakan garis singgung terhadap lingkaran Mohr yang
menunjukkan keadaan tegangan dengan nilai positif untuk tegangan
tekan, seperti diperlihatkan pada gambar 4. Koordinat titik
singgungnya adalah f dan 'f , dimana :(3)
(4)
danadalah sudut teoritis antara bidang utama besar dan bidang
runtuh.Dengan demikian jelas bahwa :
(5)
Dari gambar 4 dapat dilihat juga hubungan antara tegangan utama
efektif pada keadaan runtuh dan parameter-parameter kekuatan
geser.Kini :
sehingga(6a)atau :(6b)
Persamaan 6 disebut sebagai kriteria keruntuhan Mohr-Coulomb.
Kriteria tersebut berasumsi bahwa bila sejumlah keadaan tegangan
diketahui, di mana masing-masing menghasilkan keruntuhan geser pada
tanah, sebuah garis singgung akan dapat digambarkan pada
lingkaranMohrgaris singgung tersebut dinamakanselubung
keruntuhan(failure evenlope) tanah. Keadaan tegangan tidak mungkin
berada di atas selubung keruntuhannya.
Gambar 4.Kondisi tegangan pada keadaan runtuh
Dengan memplotterhadap, maka setiap kondisi tegangan dapat
dinyatakan suatu titik tegangan (stress point), yang lebih baik
daripada lingkaran Mohr, seperti diperlihatkan pada gambar 13.5.
Setelah itu dapat dibuat selubung keruntuhan yang dimodifikasi,
yang dinyatakan dengan persamaan :
(7)di mana a dan adalah parameter-parameter kekuatan geser yang
dimodifikasi.
Kemudian parameter-parameter c dan didapat dari :(8)(9)
Gambar 5. Alternatif yang menggambarkan kondisi tegangan
Garis-garis yang digambar dari titik tegangan pada sudut
45oterhadap horisontal, seperti pada gambar 5, berpotongan dengan
sumbu horisontal di titik-titik yang menyatakan nilai nilai
tegangan utama . gambar 13.5 juga dapat digambarkan dalam kondisi
tegangan total, dengan koordinat-koordinat vertikal dan horisontal
berturut-turutterhadap.Perlu diperhatikan bahwa
=.=.
10