DAYA DUKUNG TANAH DAN PONDASI

DAYA DUKUNG TANAH DAN PONDASI

۝ Pondasi merupakan bagian dari konstruksi bangunan yang menyalurkan beban struktur dengan aman ke dalam tanah. Untuk merancang pondasi dengan aman memerlukan data sifat/karakteristik tanah, mulai dari jenis, sifat fisik dan sifat mekanik termasuk keberadaan muka air dari tanah yang akan menerima penyaluran beban dari pondasi. Bagian berikut mempresentasikan secara garis besar keterkaitan tanah dan implikasinya pada struktur pondasi bangunan dan dinding penahan tanah.

Tanah dan Sifat-sifatnya

Jenis Tanah dan Klasifikasi Tanah

۝ Di bidang teknik sipil, tanah dapat didefinisikan sebagai material lapukan batuan yang terdiri dari butiran (agregat) mineral-mineral padat, bahan organik yang melapuk, serta zat cair serta gas yang mengisi ruang kosong diantara butiran. Sebutan dan deskripsi perbedaan fisik tanah berikut dapat membantu mengerti tentang bagaimana tanah dikelompokan untuk kepentingan rekayasa bangunan.

· Batu (Stone). Batu merupakan materi yang kekal yang terbentuk dari bahan mineral yang keras, seperti granit atau batu kapur, yang hanya dapat dipindahkan dengan membor atau meledakkan. Batu tersusun dari butiran material yang saling merekat seperti halnya beton, dan merupakan bahan dari alam terkuat di bidang bangunan.
· Batu Bongkah (Boulder). Bongkah merupakan hasil lapukan batuan yang berukuran kira-kira diperlukan dua tangan untuk dapat mengangkat.
· Geragal/kerakal. Lapukan batuan ini relatif dapat di pegang/ dipindahkan dengan satu tangan.
· Kerikil (Gravel). Ukuran butir ini kira-kira cukup mudah untuk dapat dipindahkan dengan jari tangan. Berdasarkan sistem pengelompokan USCS (Unified Soil Clasification Sytem), ukuran gravel lebih besar dari 6.5 mm (0.25 Inchi)
· Pasir (Sand). Butiran cukup jelas untuk dilihat, namun cukup sulit untuk diambil dengan jari. Ukuran butir pasir lebih kecil dari kerikil, 6.5 mm – 0.06 mm (0.25 – 0.002 Inch). Bersama-sama kerikil sering disebut sebagai tanah berbutir kasar.
· Lanau (Silt). Ukuran butir lanau lebih kecil dari pasir, yakni berkisar antara 0.06 – 0.002 mm (0.002 – 0,00008 mm. Lanau ini relatif memiliki sifat mirip pasir, tanah berbutir.
· Lempung (Clay). Butiran lempung berukuran lebih kecil dari lanau, kurang dari 0.00008 mm. Karena kecilnya ukuran dan berbutir lempeng, jenis tanah ini bersifat stabil, sangat dipengaruhi
kandungan pori dan jumlah air yang mengisi pori tanah lempung.
· Humus (peat). Humus dan jenis tanah organik lain tidak diperkenankan untuk menerima beban pondasi. Karena banyak mengandung bahan organik, butiran tanah ini tidak kekal dan mudah berubah volume karena dipengaruhi oleh faktor biologis dan usia.

Untuk kepentingan bidang teknik sipil deskripsi tersebut masih kurang untuk dapat menggambarkan jenis, simbol dan sifat tanah. Karenanya, dilakukanlah sistem klasififikasi tanah oleh sekelompok ahli atau lembaga mulai dari bidang pertanian hingga bidang tranportasi. Unified Soil Classification System (USCS) dan American Association of State Highway Transportation Officials System (AASHTO) adalah sistem klasifikasi yang banyak dirujuk dan relevan untuk kepentingan bidang teknik sipil

Pengujian Tanah

۝ Pengujian tanah untuk keperluan perancangan pondasi dapat berupa uji tanah di lapangan dan uji tanah di laboratorium, baik itu berupa uji fisik maupun uji mekanik, uji untuk mengetahui angka kekuatan tanah. Uji tanah di lapangan diperlukan untuk mencari data langsung dari lapangan. Uji ini dapat berupa uji lapisan tanah dengan alat bor (soil boring), uji kepadatan maupun kekerasan tanah. Uji Kekerasan tanah dapat berupa uji penetrasi standar (standard penetration test), uji sondir/uji penetrasi konus (Cone penetration test). Uji lapangan ini termasuk pelaksanaan pengambilan sampel tanah untuk keperluan uji laboratorium.

Sedangkan untuk uji di laboratorium dapat berupa analis butiran dan komposisi butiran/ gradasi, kadar air, berat isi, berat jenis (specific garfity) uji geser dengan alat geser langsung maupun dan alat triaxial hingga uji pemampatan tanah (consolidation test). Berikut di sampaikan sebagian uji tanah yang perlu untuk diketahui terkait dengan sifat tanah.

a) Uji Kadar Air Kandungan air pada jenis tanah tertentu sangat berpengaruh terhadap sifat fisik maupun kekuatannya. Karennya uji kadar air uji awal yang paling banyak dilakukan terkait dengan fisik tanah. Kadar air dinyatakan dalam angka persentase (%). Formula untuk kadar air (water content) dapat dikemukakan sebagai berikut.

Wc = Ww/Wsd *100%

Dimana:
Ww = berat air yang dikandung tanah = Ws wet – Ws dry Ws dry = berat tanah kering oven.

b) Uji ukuran butir tanah dan gradasi tanah
۝ Uji untuk mengetahui karakter fisik terkait dengan ukuran butiran yang umumnya cukup dilakukan dengan analisis ayakan (Sieve analysis) untuk tanah berbutir kasar. Sedang untuk tanah yang berbutir halus seperti lempung diperlukan uji dengan Hydrometer (Hydrometer test set). Peralatan uji ayakan dan hydrometer ditunjukkan pada Gambar.

Dari pengujian dengan analisis ayakan akan diperoleh indeks ukuran butiran tanah mulai dari dari diameter butiran paling banyak / dominan, koefisien gradasi tanah maupun koefisien keseragaman tanah yang diperlukan untuk mengklasifikasikan tanah. Diameter lubang saringan dan contoh isian tabel uji ayakan untuk keperluan klasifikasi tanah

D10 = Besaran diameter butiran sehingga 10% dari total butiran lolos/lebih kecil dari diameter tersebut.
D30 = Besaran diameter butir sehingga 30% dari total butiran lolos/lebih kecil dari diameter tersebut.
D60 = Besaran diameter, sehingga 60% butiran tanah lolos.

Koefisien gradasi (Cc) = (D30)²/(D10.D60)
Koefisien keseragaman (Cu) = D60/D10

D10 = 0.075+{(10-2.28)/(16.60-3.28)}*(0.10-0.075) = 0.113 mm
D30 = 0.300+{(30-25.10)/(40.79-25.10)}*(0.425-0.300) = 0.339 mm
D60 = 0.850+{(60-58.81)/(63.96-58.81)}*(1.180-0.850) = 0.926 mm

Cu = D60/D10 = 8.21
Cc = (D30)²/(D10.D60) = 1.10

c) Batas Konsistensi Tanah (Atterberg Limits)
۝ Batas konsistensi tanah sering disebut batas Atterberg. Besaran batas batas konsistensi merupakan besaran kadar air (%) untuk menandai kondisi tanah terhadap kandungan air. Batas konsistensi ini terdiri dari batas cair (Liquid Limit / LL), bata plastis (Plastic Limit/ PL) maupun batas susut (shirinkage Limit). Batas cair merupakan kadar air tanah sehingga tanah pada kadar air tersebut bersifat layaknya zat alir/ cair. Batas plastis merupakan kadar air dimana dengan kondisi tersebut bersifat plastis dari kondisi tanah kering yang bersifat padat / keras. Sedangkan batas susut merupakan kadar air maksimum agar saat tanah dikeringkan tidak mengalami susut/ perubahan volume.

Pengujian batas cair di laboratorium digunakan cawan Cassagrande (Gambar). Cawan ini dilengkapi dengan piranti pemukul dengan cara mengangkat dan menjatuhkan cawan.

Jika tanah uji di letakkan pada cawan setebal 1 cm, kemudian dibuat alur menggunakan alat pembuat alur (groover), dan kemudian melakukan ketukan (blow). Akibat ketukan tersebut, alur yang dibuat akan kembali menutup. Kemudahan menutupnya alur tersebut sangat dipengaruhi oleh jumlah air dalam tanah tersebut. Batas cair merupakan kadar air tanah uji (%) jika dilakukan ketukan sebanyak 25 kali menyebabkan alur tanah pada cawan Cassagrande berimpit 1.25 cm (1/2 Inch).

Batas Plastis merupakan besaran kadar air tanah dimana saat dilakukan pilinan pada contoh tanah hingga ∅ 3 mm mulai terjadi retakan dan tidak putus. Tanah uji batas plastis ini umumnya menggunakan tanah uji batas cair yang diangin-anginkan kemudian dibuat bola tanah ∅ 1 cm. Bola tanah tersebut kemudian dipilin dengan jari di atas permukaan halus. Jika kondisi pilinan tanah ∅ = 3 mm dan mulai retak, segera lakukan uji kadar air. Kadar air pada kondisi itulah sebagai batas platis.

Indek Plastisitas (PI) merupakan selisih antara batas cair dan batas plastis. Jika ditulis dalam formula adalah sebagai berikut. Indeks plastisitas inilah yang memberikan indikasi terkait dengan kerekatan/ kohesifitas keplastisan suatu tanah uji oleh pengaruh air yang dikandungnya. Tanah lempung untuk bahan genting umumnya memiliki angka/ indeks plastisitas yang lebih tinggi dibanding tanah lanau.

PI = LL – PL (5.2)

Dimana:
PI = Indeks plastisitas,
LL = Batas Cair,
PL = Batas plastis d) Pengujian Kekuatan Geser Tanah

Pengujian kekuatan geser tanah dapat dilakukan dengan menggunakan Set Alat Geser langsung (Direct Shear Test Set) dan Alat Uji Triaxial (Triaxial Test Set), seperti pada Gambar. Walaupun kurang memiliki ketelitian alat geser langsung sering digunakan untuk menentukan tegangan geser tanah (t) dan atau beserta sudut geser tanah (q). Tanah uji untuk test ini umumnya adalah tanah asli tanpa terganggu (undisturbed). Untuk pelaksanaan uji contoh uji diberi tegangan normal (σ) sebesar tekanan tanah yang ada di atas tanah uji, σ = φ . h. Dimana φ adalah berat isi tanah dan h merupakan kedalaman tanah uji. Contoh hasil uji geser langsung dapat ditunjukkan pada Tabel.

Sudut geser (Θ) ditentukan berdasarkan kemiringan grafik uji = Arc Tan /σ. Sedangkan angka rekatan (cohesiveness) ditentukan dari besaran tegangan geser pada tegangan normal σ = 0. Berdasarkan hasil uji tersebut didapatkan bahwa Θ = 37 ^o, dan angka kohesi (c) = 0.075 kg/cm².

Besaran sudut geser dalam dan besaran rekatan tersebut diperlukan untuk perhitungan geseran dari tanah untuk keperluan perhitungan pondasi maupun dinding penahan.

e) Uji Tekan Bebas (unconfined compression test)
Uji tekan bebas ini merupakan uji tekan searah, tanpa tahanan dari arah samping (lateral) dari contoh tanah silindris pada kondisi asli. Data yang dihasilkan dari uji ini adalah data tegangan tekan maksimum tanah uji. Data ini cukup bermanfaat untuk memperkirakan besaran daya dkung tanah pada tepian tebing dalam menerima beban. Uji tekan bebas ini relatif cepat dan bermanfaat sebagai data tambahan uji Triaxial

f) Uji Berat Isi Tanah (φ)
Uji berat isi tanah dimaksudkan untuk menentukan berat tanah per satuan volume. Satuan yang umum digunakan adalah gr / cm³, kg / liter atau ton / m³. Uji didahului dengan pengambilan sampel di lapangan dengan menggunakan tabung sampel. Tanah uji berbentuk silindris yang diambil kemudian dikeluarkan untuk ditimbang dan dihitung volumenya. Perhitungan berat isi dapat ditunjukkan sebagai berikut.

φ _wet =- W _{soil wet} / V , atau
φ _dry =- W _{soil dry} / V

Dimana:
φ _wet = Berat isis tanah basah
φ _dry = Berat isis tanah kering
W _{soil wet} = berat tanah basah
W _{soil dry} = berat tanah kering oven
V = Volume tanah uji

Kadang berat isi tanah ini dinyatakan dalam bentuk berat isi maksimum (φ _maks). Berat isi maksimum merupakan berat isi paling besar yang dapat dicapai oleh tanah melalaui perlakuan pemadatan, baik itu pemadatan dengan tangan (Hand Stamper) atau dengan alat berat bermesin, dengan perlakuan kondisi kadar air tertentu. Kadar air yang memungkinkan pemadatan menghasilkan berat isi maksimum disebut sebagai kadar air optimum (w _optimum). Besaran berat isi maksimum tanah dan kadar air optimum dapat dilihat pada Tabel

g) Uji Triaxial
۝ Uji triaxial ini dilakukan untuk memperoleh kekuatan geser tanah (t) saat tanah menerima tegangan normal dengan besaran tertentu, dan sudut geser (q). Data sangat penting untuk perancangan pondasi telapak, tiang maupun untuk perancangan dinding penahan (retaining wall). Sampel tanah untuk uji ini disarankan berupa tanah asli tak terganggu (undisturbed specimen). Uji ini sedikit mirip dengan uji tekan bebas, dengan penahan dan pengukuran ke arah samping akibat tekanan aksial.

h) Pemboran Tanah (Soil Boring)
۝ Salah satu data penting untuk perancangan pondasi dalam adalah mengetahui jenis tanah di tiap kedalaman / lapisan tanah. Alat uji ini dapat berupa bor dengan menggunakan tenaga manusia dan tenaga mesin (Gambar ). Data yang dapat dihasilkan adalah berupa lembar bor (Boring Log) yang berisikan deskripsi fisik tanah di tiap kedalaman yang diperlukan. Deskripsi yang dimaksud umumnya tentang fisik tanah: warna tanah, jenis tanah, dan keseragaman butiran.

Uji boring biasanya disertai Uji Penetrasi Standar (SPT). Karenanya lembar data bor tersebut biasanya mencamtumkan pula data SPT berupa jumlah pukulan dan tingkat kekerasan tanah.

i) Uji Penetrasi Standar (Standard Penetration Test)
Uji ini pada prinsipnya seperti memancang tiang dalam tanah. Pengujian ini ini biasanya dilakukan bersamaan dengan pekerjaan boring, yakni mencari data kekerasan tanah yand diindikasikan dalam bentuk jumlah pukulan (n blows) yang diperlukan untuk memasukkan split sampler sedalam 30 cm. Split sampler merupakan ujung pancang yang dapat di belah untuk sekaligus memperoleh contoh tanah yang diukur kekerasannya. Dari contoh tanah tersebut dapat ditentukan jenis dan sifat tanah uji.

Data uji penetrasi standar tersebut belum memberikan infomasi besaran kekuatan. Untuk itu diperlukan konversi jumlah pukulan terhadap kekuatan dengan uji lain misal sondir. Tabel menampilkan besaran
jumlah pukulan dan tingkatan kepadatan untuk jenis tanah tak berkohesi (granular) dan tanah berkohesi (cohhesive soil) seperti lempung.

j) Uji Sondir (Cone Penetration Test)
Uji ini mirip dengan uji penetrasi standar, yang membedakan adalah bahwa ujung alat ini berupa konus (Gambar ) yang dimaksudkan memberikan tekanan pada pompa pengukur. Konus tersedia dua macam bentuk, konus tunggal dan konus ganda. Konus tunggal hanya dapat mengukur tahanan tanah ujung. Sedangkan konus ganda, selain tahanan tanah ujung dapat mengukur pula gesekan tanah (soil friction).

Ukuran kekerasan tanah maupun gesekan dapat dilihat pada manometer yang dinyatakan dalam besaran tegangan tanah (kg/cm2). Pengujian dengan alat ini relatif murah untuk diselenggarakan dengan hasil data yang cukup memadai untuk perancangan pondasi.

Daya Dukung Tanah
Tanah merupakan bahan yang memiliki sifat khusus dan berbeda dengan bahan lain di bidang sipil. Ini karena konsistensi tanah dapat berubah dari sifat padat elastis, plastis hingga cair tergantung dari kandungan air. Karenanya mekanika tanah memiliki pendekatan khusus yang berbeda dari mekanika fluida maupun mekanika bahan solid seperti beton, kayu maupun baja. Namun begitu terdapat beberapa analisis mekanika tanah yang mengambil pendekatan mirip dengan mekanika fluida atau hidrostatika.

Tegangan Efektif Tanah

۝ Tegangan ini menunjukkan besaran tegangan pada suatu titik di kedalaman akibat berat kolom tanah yang ada di atasnya. Keberadaan muka air tanah yang mungkin ada, diperhitungkan sebagai tegangan reduksi dari tegangan efekti tanah. Tegangan efektif ini diperlukan sebagai prasyarat perhitungan mekanika tanah lainnya. Ilutrasi kondisi dan besaran tengangan efektif dapat ditunjukkan sebagai berikut:

σ_A = φ₁ . h₁
σ_B = φ₂ . (h₁+h₂) – φ_w.h₂

Dimana:
φs = berat isi tanah
h = kedalaman tanah
φ_w = berat isi air

Tegangan Tekan Tanah

۝ Pada kondisi tertentu para perancang perlu mengetahui kuat tekan puncak, penurunan akibat mampat tanah dimana mereka bekerja. Idealnya kekuatan tersebut diperoleh dari uji confined dengan penahan samping sesuai situasi tanah. Karena uji confined merupakan uji yang relatif rumit, untuk keperluan pekerjaan skala kecil dilakukanlah uji yang lebih sederhana berupa uji tekan bebas (unconfined test) dan atau uji lain misal uji penetrasi standar (SPT) dan uji lain terkait dengan kuat tekan – kekerasan tanah.
☣Secara umum tegangan tekan dihitung berdasarkan rumus sebagai berikut.

σ = P / A (5.6)

Dimana:
P = Gaya tekan yang bekerja (kg, ton)
A = Luas tanah uji (cm², m²)
= Tegangan tekan tanah

Besaran pendekatan tingkat kekerasan berdasarkan hasil uji kuat tekan bebas dan uji penetrasi standar ditunjukkan pada Tabel

۝ Kuat tekan ini sangat berguna untuk pendekatan perhitungan pemotongan / pengeprasan (cut and fill) tanah kohesif seperti lempung.

Rumus pendekatan dan skema untuk perhitungan pemotongan dapat ditunjukkan pada persamaan dan gambar .

Hcut = 2 qu / (φ_s*S_F)

Dimana :
Hc = Tinggi pemotongan / pengeprasan tanah
qu = tegangan tekan ultimate dari uji tekan bebas
φ_s = Berat isi tanah
S_F = Angka keamanan (safety factor)

Ilustrasi perhitungan tinggi pemotongan tanah

Tegangan Geser

۝ Kuat geser tanah sangat tergantung dari angka rekatan tanah (c) besaran tegangan normal tekan ( σ) dan karakter geser tanah yang diindikasikan dari sudut geser dalam tanah (Θ). Besaran kuat geser tanah umumnya dinyatakan dalam rumus sebagai berikut.

t = c + σ tan Θ

Dimana:
t = tegangan geser
c = angka rekatan / kohesi tanah
σ = tegangan normal akibat kolom tanah di atasnya
Θ = sudut geser tanah

Tabel menunjukkan besaran sudut geser dalam dari jenis tanah granuler seperti pasir berdasarkan tingkat kekerasan

Tabel Kekerasan dan Besaran sudut geser dalam dari jenis tanah granuler

Untuk kepentingan praktis, jenis tanah lanau atau pasir mengandung banyak lanau dengan besaran sudut 2o – 6o lebih kecil dari besaran sudut geser tanah pasir (granuler). Tabel menunjukkan besaran pendekatan
untuk jenis tanah lanau.

Kekerasan dan Besaran sudut geser dalam dari jenis tanah Lanau

Sedang untuk jenis tanah lempung, sudut geser sangat dipengaruhi oleh tekanan pori, tekanan tambahan akibat pengaliran air dari tanah dan kecepatan pembebanan. Jika pembebanan pada tanah oleh suatu sturuktur dianggap beban sesaat/cepat, besaran pendekatan sudut geser (q) untuk tanah lempung dapat diambil dengan rentangan 20o – 30o. Sedangkan jika pembebanan diasumsikan berlangsung lambat, maka besaran sudut geser (q) jenis tanah ini berkisar adalah 10o – 20o.

Pondasi

MENU ≡