jbptitbpp-gdl-rezaardian-30348-3-2008ta-2.pdf

Adi Kriswanto 15003028 II 1Reza Ardiansyah 15003072

Bab

22 KAJIAN PUSTAKA

2.1 TEORI MEKANIKA KEKUATAN MATERIAL

2.1.1 Hubungan Tegangan Regangan

Pada umumnya hubungan tegangan regangan pada suatu material diperlihatkan pada Gambar 2.1a. Mulai dari bagian awal sampai dengan batas proposional atau titik leleh disebut dengan elastik linier. Kondisi ini menunjukkan bahwa material akan kembali ke bentuk semula ketika tegangan dilepaskan, selama tegangan yang terjadi berada dibawah titik leleh. Material juga memiliki kurva teganganregangan yang non linier tapi tetap bersifat elastik (Gambar 2.1b).

Karakteristik dari material sebenarnya dapat disempurnakan dengan beberapa hubungan teganganregangan, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.1c, d, dan f. Hubungan teganganregangan yang lebih realistis adalah elasto plastik (Gambar.2.1d). Material tersebut bersifat elastik linier sampai pada titik leleh, kemudian menjadi plastik sempurna. Material sempurna dan elastoplastik akan tetap meregang walaupun tidak ada tegangan tambahan yang bekerja pada material.

Beberapa material bersifat getas (Gambar.2.1e), dan beberapa material yang lain memiliki hubungan teganganregangan yang lebih kompleks. Material tersebut adalah material dengan work hardening (Gambar 2.1f) yang memiliki modulus semakin besar (lebih kaku) seiring dengan terjadinya regangan atau tegangan, dan material dengan work softening(Gambar 2.1f) yang menunjukkan penurunan tegangan setelah melewati tegangan puncak (titik runtuh).

Terdapat banyak cara untuk mendefinisikan kriteria keruntuhan suatu material. Untuk saat ini kriteria keruntuhan yang paling umum dan mudah digunakan adalah kriteria keruntuhan MohrColoumb.


Gambar 2.1 Hubungan TeganganRegangan untuk Beberapa Jenis Material

(Holtz and Kovacs, 1981)


2.1.2 Kriteria Keruntuhan MohrCoulomb

Mohr (1900) menyuguhkan teori keruntuhan tentang material yang menyatakan bahwa keruntuhan pada suatu material akibat kombinasi kritis antara tegangan normal dan geser, dan bukan hanya akibat tegangan normal maksimum atau tegangan geser maksimum saja. Hubungan antara tegangan normal dan geser pada sebuah bidang keruntuhan dapat dinyatakan dalam persamaan berikut:

Wf = f()

Garis keruntuhan (failure envelope) yang dinyatakan oleh persamaan diatas sebenarnya berbentuk lengkung seperti terlihat pada Gambar 2.2b, namun untuk sebagian besarmasalahmasalah mekanika kekuatan material, garis tersebut didekati dengan garis lurus yang menunjukkan hubungan linier antara tegangan normal dan geser (Coulomb, 1776).

Gambar 2.2 (a) Garis Keruntuhan Mohr (b) Hukum Keruntuhan MohrCoulomb

(Coulomb, 1776)

Persamaan tersebut dapat ditulis sebagai berikut :

Wf = c + (tan I)

Dengan

Wf = tegangan geser pada saat runtuh

c = kohesi

= tegangan normal

I = sudut geser dalam


2.1.3 Kriteria Keruntuhan HoekBrown

Kriteria keruntuhan batuan menurut HoekBrown (1980) dapat dituliskan:

V1 =0.5

33 1ci i

ci

m VV VV

Dimana

1 = tegangan major pada saat runtuh

3 = tegangan minor pada saat runtuh

Vci = nilai intact rock (unconfined strength)

mi = konstanta karakteristik batuan

Dari persamaan HoekBrown dapat diketahui hubungan antara 1 dan 3 dimana pada uji triaksial HoekBrown (1980) menggunakan sedikitnya lima nilai 3 dalam kisaran nilai antara 0 0.5 Vci. Hubungan 1 dan 3 akan membentuk garis lurus dengan persamaan:

V1 = kV3 + Vci

Hubungan antara kriteria keruntuhan HoekBrown dengan kriteria keruntuhan MohrColoumb dalam menentukan parameter c dan I adalah sebagai berikut:

sin I = 11

kk

c = IIV

cos2sin1ci

2.2 PENENTUAN PARAMETER TANAH

Untuk mendapatkan parameter sifat tanah seperti distribusi butiran tanah, plastisitas, kompresibilitas, dan kuat geser didapat melalui tes laboratorium. Sedangkan untuk mendapatkan parameter kekuatan tanah biasanya dilakukan tes lapangan (in situ test) karena proses ini dapat menghindari kerusakan sampel yang terjadi pada saat pengambilam sampel. Pada keadaan tertentu tidak semua parameter tanah yang dibutuhkan untuk mendesain bangunan geoteknik dapat ditentukan atau diketahui. Dalam kasus seperti ini, ahli geoteknik harus mengasumsikan data yang tidak lengkap. Asumsi yang baik akan didapat bila seorang ahli geoteknik menguasai prinsipprinsip dasar mekanika tanah. Perlu diperhatikan juga bahwa komposisi tanah asli tidak akan sama untuk setiap kasus. Oleh karena itu ahli geoteknik harus memiliki pemahaman mengenai kondisi geologi seperti lapisan tanah dasar dan kondisi air tanah.


Jenis investigasi disesuaikan dengan jenis proyek, kepentingan proyek, dan kondisi tanah asli. Berikut ditampilkan pada Tabel 2.1 metodemetode yang biasanya digunakan untuk investigasi tanah.

Tabel 2.1 Metode Investigasi Tanah

Jenis Investigasi Metode

Peninjauan lapangan Foto udaraVisual inspeksiPeta dan laporan geologiData konstruksi sebelumnya

Eksplorasi GeofisikElectricalPitBoring

Tes lapangan Tes penetrasi (SPT)Vane testTes lokasi muka air tanahPumping testLoad testKompaksi

Sampel tanah yang didapat dari pit atau bor selanjutnya dibawa ke laboratorium untuk dilakukan tes laboratorium. Undisturbed sample berkualitas tinggi biasanya didapat dari open pit, tetapi pit hanya terbatas untuk pengambilan sampai pada kedalaman dangkal. Kerusakan sampel tanah bisa disebabkan karena faktorfaktor sebagai berikut:

1. Cara pengambilan sampel

2. Penanganan sampel sampai ke laboratorium

3. Persiapan spesimen

Nilai kuat geser tanah berdasarkan tes lapangan akan berbeda dengan perhitungan tes laboratorium karena sulit mendapatkan sampel yang dapat mewakili kondisi di lapangan, juga sulit untuk memperlakukan tanah seperti kondisi di lapangan pada tes laboratorium. Biasanya untuk keperluan desain data diambil berdasarkan tes lapangan

2.2.1 Penyelidikan Lapangan

x Uji Sondir/ Cone Penetration Test (CPT)

Uji sondir merupakan salah satu jenis tes lapangan yang menggunakan penetrometer statis dengan ujung konus bersudut 600 dan luas ujungnya 1.000 mm2 (diameter 35,7 mm) seperti yang terlihat pada Gambar 2.3. Tes ini umumnya digunakan pada tanah kohesif.

Hasil pengukuran alat ini berupa tahanan friksi dan tahanan ujung (penetrasi) konus. Sampel tanah untuk tes laboratorium tidak akan didapatkan melalui uji sondir, tetapi


berbagai percobaan telah memberikan berbagai korelasi antara nilai yang didapat dari uji sondir terhadap parameterparameter tanah.

Gambar 2.3 Alat Uji Cone Penetration Test (penetrometer Belanda)

(Holtz and Kovacs,1981)

x Uji SPT

Kekuatan tanah yang diuji dengan tes penetrasi dinyatakan dalam NSPT. Tahanan penetrasi (NSPT) yaitu banyaknya pukulan (30 mm terakhir) yang diperlukan untuk memasukkan split tube sampler (450 mm 18 in) dengan menggunakan hammer seberat 63,5 kg (140 lb) yang dijatuhkan dari ketinggian 760 mm (30 in).

Gambar 2.4 Alat Uji Standard Penetration Test

(Lambe & Whitman, 1969)


2.2.2 Pengujian Laboratorium

Dengan uji laboratorium, parameter kuat geser tanah pasir (I) maupun lempung (c) dapat disesuaikan atau disimulasikan dengan kondisi pekerjaan di lapangan. Dalam menentukan kuat geser tanah (Wf) digunakan kriteria MohrCoulomb, yaitu:

Wf = c + Vf tan I

Berdasarkan konsep Terzaghi, tegangan geser tanah hanya dapat ditahan oleh partikel padatnya. Kuat geser tanah bila dinyatakan sebagai fungsi dari tegangan efektif adalah sebagai berikut:

Wf FVf tan I

FVu) tan I

x Triaxial test

Tes triaksial digunakan untuk mengetahui karakteristik kuat geser pada tanah lempung jenuh. Pada tes triaksial terdapat tiga jenis tes untuk memodelkan pengaliran yang sesuai dengan kondisi di lapangan, yaitu:

1. Consolidated Drained Test

2. Consolidated Undrained Test

3. Unconsolidated Undrained Test

Gambar 2.5 Permodelan Tanah Pada Uji Triaksial

(Holtz and Kovacs,1981)


1. Consolidated Drained Test

Tes CD disebut juga Stes (slow) karena penambahan tegangan aksial harus lambat agar air pori dapat benarbenar teralirkan. Sampel jenuh air diberi confining pressure V3 yang melebihi tegangan overburden Vc. Tegangan aksial diberikan kepada sampel tanah secara perlahan Pada CD test, void ratio pada tanah akan berkurang akibat pengaliran selama tes berlangsung, tegangan air pori tidak dihitung karena nilainya mendekati nol. Tegangan total pada drained test selalu sama dengan tegangan efektif maka

V3c = V3c = V3f = V3f dan V1f = V1f = V3c + Vf .

s = V tan I atau qf = p tan

Untuk tanah normally consolidated (NC), garis keruntuhan ditarik dari titik origin, oleh karena itu c = 0.

Gambar 2.6 Lingkatan Mohr Tanah NC Kondisi CD


2. Consolidated Undrained Test

Peningkatan tegangan air pori selama tes diukur. Tegangan air pori yang terukur bisa positif ataupun negatif. Tegangan air pori positif terjadi pada tanah NC, sedangkan negatif terjadi pada tanah OC. Tegangan total maupun tegangan efektif dapat diukur pada CU test. Untuk tanah NC, V = V u dan V1 V3 = V1 V3. Oleh karena itu, lingkaran mohr yang menggambarkan tegangan total maupun tegangan efektif memiliki diameter yang sama.


Gambar 2.7 Lingkaran Mohr untuk Tegangan Total dan Efektif Tanah NC Kondisi CU


Pada tanah overconsolidated (OC), tanah cenderung mengembang selama diberi tegangan dan terjadi penurunan tegangan air pori ( 'uf).

Karena V3f = V3f ( u ) dan V1f = V1f ( u ), tegangan efektif akan lebih besar daripada tegangan total dan lingkaran mohrnya berada di sebelah kanan lingkaran mohr tegangan total seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.18.

Gambar 2.8 Lingkaran Mohr untuk Tegangan Total dan Efektif Tanah OC Kondisi CU



3. Unconsolidated Undrained Test

Pada tes triaksial UU tidak terjadi pengaliran maka tidak ada pengukuran tegangan air pori dan yang terukur hanya tegangan total. Cassagrande menamakan tes ini dengan sebutan Qtes (quick) karena keruntuhan yang terjadi lebih cepat dibandingkan pada Stes. Lingkaran Mohr saat runtuh yang menggambarkan tegangan total diperlihatkan pada Gambar 2.9. Garis keruntuhan menunjukkan undrained shear strength, Wf = c.

Gambar 2.9 Lingkaran Mohr untuk Tanah NC pada Tes Triaksial UU


4. Unconfined Compression Test

Tes ini tidak berbeda dengan test triaksial UU, hanya saja pada tes unconfined tidak diberi tegangan sel/ tegangan penyekap, V3 = 0 dan V1 = 'V. Gambar 2.10 memperlihatkan kondisi tegangan pada saat uji unconfined, Wf = c dan V1=qu=2 Wf.

Gambar 2.10 Lingkaran Mohr pada Tes Unconfined

(Das, 1990)


2.2.3 Korelasi Nilainilai Parameter Tanah

Hasil penyelidikan tanah dan batuan serta pengujian yang telah disebutkan di atasdigunakan untuk mendapatkan profil dan parameter tanah yang akan dipergunakan dalam analisis. Namun beberapa nilai harus dikorelasikan dengan konstanta atau persamaan tertentu untuk mendapatkan parameter tanah yang dibutuhkan.

x Nilai Kohesi (c)

Parameter kohesi dapat dikorelasikan dari uji sondir dengan persamaan berikut

2( / )20

cqc kg cm atau 2( / )2

cqc ton m

Sedangkan dari nilai NSPT, parameter kohesi diperlihatkan pada Gambar 2.11.Berdasarkan gambar tersebut diambil ratarata untuk menentukan kohesi tanah, yaitu

2 20( / )3

c kg cm N SPT atau 2 2( / )3

c ton m N SPT

Gambar 2.11 Hubungan antara Kohesi dan Nilai NSPT

(Terzaghi, 1948)


x Nilai Sudut Geser Dalam (I)

Suatu perkiraan koreksi antara tahanan penetrasi konus dan parameter sudut geser I yang diusulkan oleh Meyerhof diberikan pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12 Korelasi antara Tahanan Penetrasi Konus dan I

(Meyerhof, 1976)

Gambar 2.13 Korelasi antara Friction Angle dan N SPT

(Peck, Hanson, and Thornburn, 1953)


x Nilai Kepadatan Relatif

Hubungan antara NSPT dengan kerapatan relatif pada tanah nonkohesif dapat dilihat dari

Tabel dan grafik di bawah ini.

Tabel 2.2 Korelasi NSPT dengan Kepadatan Relatif Tanah Nonkohesif

N SPT (blows/ft)

Kepadatan Relatif

State of Packing

0 4 < 0.2 Very loose4 10 0.2 0.4 Loose

10 30 0.4 0.6 Medium30 50 0.6 0.8 Dense

> 50 > 0.8 Very dense(Meyerhoff, 1956)

Gambar 2.14 Hubungan NSPT dengan Relatif Density. (a) Coarse Sand (b) Fine Sand

(Gibbs and Holtz, 1957)


x Nilai Modulus Elastisitas Tanah dan 3RLVVRQV5DWLR

Parameter modulus elastisitas berkaitan dengan deformasi tanah. Penentuan nilai E ini dapat diperkirakan dari kurva hubungan tegangan regangan yang diperoleh dari uji triaksial. Nilai E ditentukan dengan metode tangent. Hanya saja, menghitung nilai E dari pengujian laboratorium memiliki kelemahan, yaitu adanya kemungkinan terganggunya kondisi tanah. Sehingga, nilai E dapat dicari dari korelasi hasil pengujian lapangan, yaitu NSPT atau sondir (qc).

Tabel 2.3 Korelasi nilai NSPT dan CPT dengan Modulus Elastisitas

Soil SPT CPTSand (normally consolidated) Es = 500(N+15) Es = 2 to 4qc

Es = (1500 to 22000) ln N Es* = (1+Dr2)qcEs *** = (35000 to 50000) log N

Sand (Saturated) Es = 250(N+15)Sand (Overconsolidated) Es**= 18000+750 N Es = 6 to 30 qc

Es (OCR) = Es(NC) (OCR)1/2

Gravelly sand and gravell Es = 1200(N+6)Es = 600(N+6) N15Es = 600(N+6)+2000 N15

Clayey sand Es = 320(N+15) Es = 3 to 6 qcSilty sand Es = 300(N+6) Es = 1 to 2 qcsoft clay Es = 3 to 8 qc

Clay

Using the undrained shear strength su in unit of suIp > 30 or organic Es = 100 to 500 suIp < 30 or stiff Es = 500 to 1500 su

Es (OCR) = Es(NC)(OCR)1/2* Vesic (1970)** Irsyam M. equation from plot of DAppolonia, et al. (1970)*** USSR (and may not be standard blow count N)

x Nilai Kekuatan Tanah Lempung (qu)

Tabel 2.4 Hubungan N SPT Terhadap Kekuatan Tanah Lempung

N SPT (blows/ft) Konsistensi qu(t/ft2) J sat (kN/ m3)< 2

2 44 8

8 1515 30

> 30

Very softSoft

MediumStiff

Very stiffHard

< 0,250,25 0,500,50 1,001,00 2,002,00 4,00

> 4,00

16 1916 1917 2019 2219 2219 22

(Terzaghi and Peck, 1948)


2.2.4 Penggunaan Parameter Drained dan Undrained untuk Tanah Kohesif

Dalam menganalisis masalah stabilitas dalam bangunan geoteknik diperlukan pengetahuan mengenai kuat geser tanah. Analisis ini didasarkan pada kondisi batas ekuilibrium dengan membandingkan kondisi kekuatan tanah pada keadaan diam dengan kekuatan tanah pada keadaan runtuh.

Pemilihan parameter tanah drained atau undrained yang akan digunakan bergantung pada kondisi pekerjaan, loading (timbunan, beban bangunan, dll.) atau unloading (galian, erosi, dll.), tergantung pada kondisi peningkatan tergangan air pori akibat respon dari perubahan tegangan. Peningkatan air pori akibat adanya beban tergantung stress history tanah yang dinyatakan dengan overconsolidation ratio (OCR). OCR a perbandingan antara tegangan vertikal efektif maksimum yang pernah diterima oleh tanah (Vc) terhadap tegangan vertikal efektif sekarang (V0).

0''

VV cOCR

Variasi nilai kuat geser yang telah dinormalisasi terhadap nilai OCR diperlihatkan pada Gambar 2.15

Gambar 2.15 Efek OCR terhadap Kekuatan Tanah Lempung Drained dan Undrained

(Edil, 1982)

Untuk kondisi unloading seperti galian, erosi, kekuatan kondisi drained (long term) pada tanah NC (OCR = 1) hampir sama dengan kondisi undrained, sedangkan pada tanah OC (OCR > 1) kekuatan tanah kondisi drained (long term) kurang dari kekuatan kondisi undrained (short term). Pada kondisi ini, kondisi paling kritis yaitu pada saat longterm, dengan memberikan tegangan air pori negatif dan terjadi pengurangan kekuatan. Kekuatan paling kritis digunakan dalam menganalisis kondisi unloading.


Pada kondisi loading, kekuatan kondisi drained pada tanah dengan OCR antara 1 sampai dengan 4 lebih dari kekuatan kondisi undrained. Untuk OCR lebih dari 4, kekuatan kondisi drained kurang dari kondisi undrained, kondisi kritis terjadi pada saat longterm karena memberikan 'u negatif. Tabel 2.5 memberikan gambaran kondisi kritis untuk menganalisis stabilitas

Tabel 2.5 Kondisi Kritis untuk Stabilitas Lempung Jenuh

Kondisi pembebanan Soft (NC) Clay Stiff (OC) Clay

Loading UU

Gunakan I = 0, c = Wf

Kemungkinan UU, tetapi cek juga terhadap CD.

Stabilitas bukan permasalahan utama

Unloading

(Galian atau Lereng)

UU atau CD

Jika tanah sensitif, dapat berubah dari kondisi drained menjadi undrained

CD

Gunakan analisis dengan tegangan efektif

(After Ladd, 1971)

Gambar 2.16 Perubahan Tekanan Air Pori dan Faktor Keamanan Selama Konstruksi dan Setelah Penggalian pada Tanah Lempung



Gambar 2.17 Perubahan Tekanan Air Pori dan Faktor Keamanan Selama Konstruksi dan Setelah Penimbunan pada Tanah Lempung


Pada kondisi drained, kohesi tanah (c) antara 0 sampai dengan 20 kPa, sedangkan sudut geser efektifnya (I) untuk lempung dengan Ip tinggi berkisar kurang dari 15 dan untuk lempung dengan Ip rendah berkisar lebih dari 30. Atau nilai sudut geser efektif juga dapat ditentukan dengan menggunakan grafik pada Gambar 2.18.

Gambar 2.18 Korelasi Eempiris antara I dan Indeks Plastisitas

(after U.S. Navy, 1971, and Ladd,et al., 1977)


2.3 PENENTUAN PARAMETER BATUAN

Terdapat beberapa metode untuk menentukan parameter kekuatan batuan.

2.3.1 Rock Quality Designation (RQD)

RQD adalah nilai persentase keutuhan batuan berdasarkan core drill test. RQD ditentukan dengan mengambil contoh batuan menggunakan core drill tube 100 mm (4 inch) dengan diameter 54.7 mm. Pecahan yang dihitung dalam RQD adalah pecahan yang mempunyai panjang lebih dari 10 cm.

L1L2

L3L4

Ltot

al

Gambar 2.19 Penentuan Nilai RQD pada Core Drill

(Bieniawski, 1989)

L1, L2, L3, L4 > 10cm

RQD = %100x

LL

drillcore

n6

= %100x

LLLLL

total

4321

Kualitas batuan menurut nilai RQD disusun sebagai berikut:

Tabel 2.6 Kualitas Batuan Menurut RQD

RQD (%) Rock Quality


2.3.2 Geological Strength Index (GSI)

GSI dipublikasikan oleh Hoek (1995), yaitu berupa sistem untuk menilai kekuatan batuan berdasarkan reduksi kekuatan batuan dari struktur rekahan dan kondisi permukaan intact rock.

Pada penggunaannya GSI ini adalah input untuk mencari konstanta pada HoekBrowncriterion. Konstanta yang dapat dicari adalah:

mb =100exp

28iGSIm

dengan mengetahui Vci dan nilai mb maka dapat disusun grafik tegangan V1 terhadap

tegangan V3 menggunakan persamaan HoekBrown. Grafik tersebut akan menunjukkan

persamaan berikut:

1 3' 'cm kV V V

Kemudian, dari nilai Vcm dan k di atas, sudut geser dan kohesi dapat ditentukan dengan

persamaan:

sin I = 1k1k

dan c =

I

IVcos2

sin1em

Nilai GSI ditentukan berdasarkan Tabel 2.7.


Tabel 2.7 Nilai GSI Berdasarkan Deskripsi Geologi dan Permukaan

(Hoek, Marinos, Bennini, 1998)


Nilai mi diperoleh dari Tabel konstanta batuan menurut HoekBrown seperti pada Tabelsebagai berikut:

Tabel 2.8 Nilai mi untuk Intact Rock

Coarse Medium Fine Very FineConglomerate Sandstone Siltstone Claystone

Breccia Sparitic Limestone Micritic Limestone

Gypstone Anhydrite

Marble Hornfels Quartzite

Migmatite Amphibolite Mylonites (25 31)

Gneiss Schists Phyllites Slate (4 8)

Granite Rhyolite Obsidian

Granodiorite Dacite

Diorite Andesite

Gabbro Dolerite Basalt

Norite

Agglomerate Breccia Tuff

Rock Type Class Group TextureSE

DIM

ENTA

RY

Clastic Greywacke

Organic

Chalk

Coal

Chemical

(8 21)

Carbonate

1RQClastic

DarkIG

NEO

US

Light

ExtrusivePyroclastic Type

Foliated*

Slightly Foliated

MET

AM

OR

PHI

C

Non Foliated

(Hoek, Marinos, Bennini, 1998)

2.4 HAL HAL YANG MENENTUKAN DESAIN LINING TEROWONGAN

Banyak hal yang menentukan desain lining terowongan, tidak semuanya berdasarkan aspek geoteknik. Halhal itu diantaranya:

2.4.1 Beban Tanah dan Air

Yaitu tegangan dan regangan lining yang terjadi akibat interaksinya dengan tanah sekitar, termasuk pengaruh yang bergantung waktu.


Tegangan yang ada dalam tanah sebelum terowongan dibuat (tegangan vertikal dan horizontal insitu) akan mengakibatkan gayagaya dalam terjadi pada lining terowongan. Gayagaya dalam ini berupa Gaya Normal (disebut Thrust) dan Momen Lentur (disebut Momen saja). Lining yang didesain harus memiliki kekuatan yang cukup untuk menahan tegangan yang terjadi akibat kombinasi gayagaya ini.

Desain lining ditentukan juga oleh kondisi air. Lining terowongan yang direncanakan kedap air harus didesain lebih kuat daripada yang tidak kedap air, karena selain harus menahan beban tanah lining juga harus menahan beban dari air.

2.4.2 Permeabilitas terhadap Air

Lining tidak mungkin dibuat 100% kedap air karena tidak ekonomis. Namun lining dapat didesain dengan nilai permeabilitas tertentu yang cukup aman. Secara umum makin tinggi impermeabilitas yang diinginkan, lining yang didesain akan makin tebal. (untuk materialmaterial tertentu misalnya beton).

2.4.3 Pengendalian Air Tanah

Pengendalian air tanah merupakan salah satu hal yang paling penting dalam proses konstruksi terowongan. Metodemetode yang digunakan untuk mengendalikan air tanah antara lain dewatering, grouting, compressed air, electroosmosis dan ground freezing.

a. Dewatering

Proses dewatering dalam konstruksi terowongan pada mulanya merupakan metode yang paling ekonomis dalam mengendalikan muka air tanah. Teknik tersebut pada dasarnya melibatkan alat penurunan air tanah dengan membuat beberapa seri lubang bor yang lewatdi samping terowongan dan kemudian memompa air keluar dengan menggunakan pompa yang diletakkan didalam tanah ataupun di permukaan tanah.

Gambar 2.20 Ilustrasi Proses Dewatering, A: MAT Awal, B: MAT Setelah Dewatering

(Whittaker and Frith, 1990)


Hasil dari proses tersebut adalah untuk mengurangi atau menghilangkan tekanan air disekitar terowongan. Hal ini dikenal dengan pressure reducing process atau drawdownprocess (Jones M.B., 1985). Sayangnya, ada kemungkinan efek samping konsolidasi tanah dan kenaikan berat efektif akibat pengurangan air. Penurunan akibat konsolidasi ini dapat merusak struktur bangunan di sekitar area yang diturunkan muka air tanahnya.

b. Grouting

Grouting dapat didefinisikan sebagai proses injeksi cairan bertekanan pada lubang bukaan di tanah, rekahan pada batuan, atau pada galian buatan yang ditemukan di rekahan belakang lining terowongan dan lainlain, dimana cairan tersebut seiring dengan berjalannya waktu akan mengeras dan menutup lubang ataupun rekahan yang terjadi (Ischy dan Glossop, 1962).

Tujuan dasar dari grouting adalah untuk menutup rongga dan jalur aliran pada tanah/batuan sehingga air tanah tidak dapat mengalir melalui jalur tersebut dan masuk ke galian (pengurangan permeabilitas) dan/atau untuk menambah kekuatan material tanah sehingga proses konstruksi terowongan pada tanah tidak mengalami kesulitan, dan juga untuk meningkatkan faktor keselamatan. Disamping itu, metode grouting ini digunakan dalam konstruksi terowongan dalam hubungannya untuk mengurangi penurunan permukaan dan sebagai tambahan teknik perkuatan untuk struktur diatasnya pada area perkotaan. Gambar berikut memberikan penjelasan mengenai prinsip grouting.

Gambar 2.21 Aplikasi Grouting pada Saluran Air


c. Compressed Air

Compressed Air merupakan metode yang paling sering digunakan dalam stabilitas tanah untuk terowongan yang dibangun pada lapisan permeabel dibawah muka air tanah, dimana proses dewatering tidak praktis dilakukan khususnya untuk terowongan dibawah muka air. Metode ini juga dapat bertindak sebagai penyangga pada terowongan di tanah lunak, dan meningkatkan faktor stabilitas melebihi batas kritis di tanah lempung yang mengalami


pemampatan (squeezing clays). Tujuan metode ini adalah untuk menyeimbangkan tekanan hidrostatis di luar terowongan. Gambar 2.20 memperlihatkan penggalian lapisan tanah dengan compressed air.

Gambar 2.22 Pemakaian Compressed Air dalam Penggalian Terowongan


d. Electroosmosis

Electroosmosis merupakan teknik pengeringan yang digunakan khususnya untuk stabilitas lempung lunak dan lanau dimana pengeringan dengan metode konvensional tidak dapat dilakukan. Metode ini didasarkan pada prinsip elektrolisis, dengan dua elektroda yang dimasukkan kedalam tanah dengan dialiri oleh arus listrik. Berdasarkan proses kimia dari elektrolisis, molekulmolekul air akan ditarik oleh katoda (elektroda negatif) dan kemudian akan dipompakan ke atas melalui elektroda tersebut.

Gambar 2.23 Ilustrasi Prinsip Elektoosmosis



e. Ground Freezing

Proses membekukan lapisan tanah yang mengandung air merupakan sebuah metode yang sangat rumit dan memerlukan keahlian serta biaya operasi yang sangat mahal tetapi sangat efektif dalam pengendalian sementara air tanah ataupun peningkatan stabilitas. Agar proses ini berhasil maka didalam tanah harus dipastikan memiliki air, sebab proses ini tidak akan meningkatkan karakteristik dari tanah tanpa air (kering). Proses freezing ini dapat dilakukan dengan menggunakan refrigerated brine dan nitrogen cair.

2.4.4 Beban akibat Metoda Pelaksanaan

Pada metoda penggalian terowongan menggunakan shield (Shield Tunneling), liningmenjadi tumpuan bagi dongkrak (jack) yang mendorong majunya shield. Gaya dari jack ini harus dapat ditahan oleh lining yang didesain.

Selain itu gayagaya akibat transportasi pekerja dan alatalat berat dalam terowongan juga harus dapat ditahan oleh lining.

Pada beberapa kasus soft ground shield tunneling beban dari jack adalah yang paling kritis dalam menentukan penampang lining yang dipilih. Akibatnya proses perencanaan liningtidak berdasarkan beban tanah dan air, sebab akan menghasilkan penampang yang tidak realistis (terlalu tipis).

Tapi hal ini tidak membuat analisis gayagaya dalam lining akibat beban tanah dan air menjadi tidak berguna. Fungsi dari analisis ini harus ditempatkan secara benar, yaitu untuk meningkatkan pemahaman mengenai interaksi lining dengan tanah, sehingga menjadi panduan bagi praktisi terowongan mengenai perilakuperilaku yang mungkin terjadi pada terowongan serta safety factor dari terowongan tersebut. Di lapangan analisis inilah para ahli geoteknik memegang peranan penting.

2.4.5 Pengaruh Support Delay (Penundaan Pemasangan Lining)

Agar menghindari kerusakan lining akibat pekerjaan penggalian maka lining dipasang jarak jauh dari muka galian. Artinya, setelah digali dinding terowongan selama beberapa saat dibiarkan tidak disangga. Ini menyebabkan terjadinya deformasi bentuk terowongan sebelum lining dipasang. Hal ini disebut sebagai masalah VXSSRUWGHOD\. Meskipun liningdipasang langsung setelah penggalian, deformasi di depan muka galian telah terjadi, jadi tetap ada efek delay ini.

Delay ini ternyata membawa konsekuensi penting dalam hal gayagaya yang terjadi pada lining terowongan. Selama perioda delay terjadi deformasi tanah yang tidak disangga, akibatnya terjadi pula relaksasi tegangan pada tanah tersebut. Artinya ketika liningakhirnya dipasang, lining tidak akan menerima total tegangan insitu (vertikal dan horizontal), melainkan hanya sebagian saja. Ini akan berakibat gayagaya dalam yang


terjadi pada lining (Thrust dan Momen) akan lebih kecil dari tegangan insitu yang didapat berdasarkan perhitungan.

2.4.6 Masalah Ground Loss

Dalam penggalian terowongan dengan metoda shield tunneling, lining tidak bisa dipasang persis berimpit dengan dinding galian tapi dengan jarak tertentu. Jarak antara lining dan dinding galian disebut tail void. Tail void ini diisi dengan batubatu pecah kemudian digrout dengan semen.

Jika pelaksanaan grout kurang sempurna kemungkinan tanah sekitar terowongan akan dapat mendesak masuk ke tail void ini. Hal ini disebut ground loss. Pergerakan tanah di sekitar terowongan akan diikuti pergerakan tanah secara keseluruhan sampai ke permukaan tanah.

Bagi terowongan sendiri, ground loss ini secara teoritis tidak akan merubah bebanbeban yang bekerja pada terowongan, sehingga tidak berpengaruh. Namun bagi lingkungan sekitarnya akan sangat mengganggu sebab ground loss akan menyebabkan settlement di permukaan tanah yang akan mengganggu bangunanbangunan yang ada.

Dalam analisis terowongan, ground loss ini harus diperhitungkan agar didapat besarnya displacement yang tepat.

2.5 METODE PEMBUATAN TEROWONGAN

2.5.1 TBM (Tunnel Boring Machine)

TBM merupakan mesin yang pada umumnya dipergunakan untuk melakukan penggalian terowongan sedemikian rupa sehingga material yang akan digali runtuh, disebabkan oleh tenaga dorongan rotasi dari sekelompok gigigigi pemotong terhadap permukaan bidang yang akan digali.

TBM memiliki beberapa peralatan yang dikombinasikan dan secara bersamasama bekerja untuk meruntuhkan material yang akan digali. Komponenkomponen tersebut antara lain; kepala pemotong yang berbentuk lingkaran dipasang dengan pengaturan yang sesuai untuk menggali terowongan berdasarkan dengan diameter yang diinginkan ketika kepala pemotong tersebut berotasi akibat gaya dorong dan melubangi permukaan bidang didepannya. Badan dari mesin tersebut dipasang tepat di belakang kepala pemotong dan tetap stabil selama proses penggalian dilakukan. Badan dalam mesin tersebut mengandung peralatanperalatan mekanik untuk menyediakan gaya dorong dan torsi yang ditransmisikan melalui kepala pemotong ke gerigi pemotong.

Dalam hal pembuangan material galian dari permukaan terowongan, TBM memiliki bucketyang dipergunakan untuk mengangkut material dan meneruskannya ke elevator yang akan


membawa material tersebut kebelakang dari TBM dan kemudian akan diteruskan lagi ke sistem transportasi lainnya untuk dibuang dari lokasi terowongan. Sistem ini biasanya tidak berhubungan dengan TBM.

Gambar 2.24 Tunnel Boring Machine


2.5.2 Metode Shield Tunnelling

Metode ini umum digunakan pada tanah lunak dan menjadi standar praktis untuk menjamin keselamatan lingkungan kerja bagi para pekerja, dan juga menghasilkan pekerjaan penggalian terowongan yang lebih efektif.

Metode konstruksi dengan menggunakan shield diterapkan pertama kali oleh Marc Brunel ketika membangun terowongan Thames pada tahun 18251845. Beberapa keuntungan dari metode shield antara lain adalah:

x Konstruksi terowongan untuk mendapatkan dimensi keseluruhan dapat dilaksanakan dalam satu tahap penggalian.

x Teknik penyanggaan yang berkesinambungan selama proses penggalian walaupun dilakukan pada sebuah sistem yang bergerak.

x Tidak membutuhan penyangga sementara

Tahapan metode shield pada umumnya adalah sebagai berikut:

x Penggalian tanah untuk persiapan pemasangan shield (gambar 2.25.a).

x Proses majunya shield yang didorong dengan ram bertumpu pada cincin distribusi tegangan (gambar 2.25.b)..


x Ram kembali ke posisi semula dan pemasangan cincin penyangga baru dilakukan (gambar 2.25.c).

(a) (b)

(c)

Gambar 2.25 Ilustrasi Metode Shield


2.5.3 Metode 'Full Face'

Merupakan metode dimana seluruh penampang terowongan digali secara bersamaan. Metode ini sangat cocok untuk terowongan dengan penampang melintang kecil hingga terowongan dengan diameter 3 meter untuk soft ground dan 610 meter untuk batuan keras.

a. Keuntungan

x Dengan menggali seluruh penampang lubang bukaan, maka dapat mempercepat pekerjaan.


x Lintasan untuk pembuangan hasil peledakan dapat langsung dipasang bersamaan pada saat proses penggalian berikutnya.

x Proses tunneling dapat dilakukan secara berkelanjutan

b. Kerugian

x Membutuhkan alat alat mekanis dalam jumlah besar

x Tidak dapat digunakan pada kondisi batuan / tanah yang tidak stabil

2.5.4 Metode +HDGLQJ dan %HQFK

Metode Heading dan Bench merupakan cara penggalian, dimana bagian atas penampang terowongan digali terlebih dahulu sebelum bagian bawah penampangnya. Setelah penggalian bagian atas mencapai panjang 35 m (heading), penyangga bawah penampangdikerjakan (bench cut) sampai membentuk penampang terowongan yang diinginkan. Proses ini diulangi sampai seluruh lintasan terowongan tercapai.

Gambar 2.26 Metode Heading Dan Bench

(Rai, 1994)

a. Keuntungan

x Memungkinkan pengerjaan pengeboran dan pembuangan sisa peledakan dilakukan secara simultan.

x Metode ini efektif untuk terowongan berukuran penampang besar dengan lintasan yang relatif panjang.

x Metode ini dapat diterapkan pada setiap kondisi batuan.

b. Kerugian

Waktu pengerjaan relatif lebih lama jika dibandingkan dengan metode full face.

2.5.5 Metode 'ULIW

Metode GULIW adalah suatu metode yang menggali terlebih dahulu sebuah lubang bukaan berukuran kecil sepanjang lintasan terowongan dan kemudian diperbesar sampai membentuk penampang yang direncanakan. Berikut ini beberapa macam GULIW yang


digolongkan menurut posisi lubangnya relatif teradap sumbu terowongan yang direncanakan.

2.5.5.1 Center Drift

Metode ini dimulai dengan penggalian lubang berukuran 2.5m x 2.5m sampai dengan 3m x3m dari portal ke portal. Perluasannya dimulai setelah penggalian center drift selesai, dengan membuat lubanglubang untuk bahan peledak yang dibor melingkar pada selimut drift oleh alat bor yang dipasang pada sumbu terowongan.

a. Keuntungan

x Memberikan sistem ventilasi yang baik

x Kerena ukurannya cukup kecil, maka tidak memerlukan sistem penyangga yang cukup rumit

x Mucking dapat dikerjakan bersamaan dengan pekerjaan penggalian

b. Kerugian

x Center drift harus sudah selesai terlebih dahulu sebelum melakukan perluasan lubang.

x Alat bor dipasang dengan pola tertentu, sehingga seringkali spasi alat bor tersebut dirubah dan disesuaikan dengan kondisi batuan yang akan diledakkan.

Gambar 2.27 Metode Center Drift

(Rai, 1994)

2.5.5.2 Side Drift

Pada metode ini dua drift digali sekaligus pada sisi sisi penampang, sepanjang lintasan terowongan. Proses selanjutnya adalah penggalian bagian lengkung atas terowongan(arch), yang diikuti dengan pemasangan penyangga sementara. Setelah penyangga selesai dipasang, penggalian bagian tengah dikerjakan.


Gambar 2.28 Metode Side Drift

(Rai, 1994)

a. Keuntungan

x Proses lining dapat dikerjakan sebelum penggalian bagian tengah dilaksanakan

x Efektif untuk terowongan besar dengan kondisi batuan yang buruk

b. Kerugian

x Pekerjaan perluasannya harus menunggu drift selesai dikerjakan seluruhnya.

2.5.5.3 Top Drift

Banyak digunakan pada penggalian endapan di suatu tambang. Metode ini tidak jauh berbeda dengan metode heading dan bench.


(Rai, 1994)

2.5.5.4 Bottom Drift

Metode ini dimulai dengan membuka bagian bawah penampang. Pembukaan lubanglubang bahan peledak untuk membuka bagian atas penampang dilakukan dengan membor dari bottom drift vertikal keatas.



(Rai, 1994)

2.5.6 Metode Sumuran Vertikal (Vertical Shaft)

Metode ini dilaksanakan dengan membuat lubang vertikal tegak lurus sampai pada terowongan yang akan digali. Dengan dibuatnya satu buah lubang yang memotong lintasan terowongan akan didapatkan paling sedikit tiga buah heading face.

Gambar 2.31 Metode Sumuran vertikal

(Rai, 1994)

2.6 SISTEM PENYANGGA UNTUK PERKUATAN LINING TEROWONGAN

Lubang galian yang telah di buat belum tentu mampu berdiri sendiri. Oleh karena itudibutuhkan penyangga. Jenisjenis penyangga yang kita ketahui antara lain :

x Penyangga kayu

x Penyangga baja steel rib

x Penyangga batuan (Rock Bolt)

x shotcrete


2.6.1 Penyangga Kayu

Kayu dipakai sebagai penyangga pada masamasa terowongan mulai dibangun orang. Pada masa kini kayu mulai jarang digunakan kecuali sebagai bantalan atau dalam keadaaan darurat dimana tidak cukup waktu untuk mendapatkan steel rib atau bahan penyangga lainnya. Bentuk sederhana dari penyangga kayu adalah pemasangan seperti Gambar 3.32.

Gambar 2.32 Penyangga Kayu di Terowongan

(Rai, 1994)

2.6.2 Penyangga Baja Steel Rib

Penyanggaan dengan steel rib memiliki lebih banyak kelebihan dibandingkan dengan penyanggaan kayu, antara lain:

x Dengan ukuran dan profil penampang yang lebih kecil, baja memiliki kekuatan dan kekakuan yang lebih besar.

x Karena ukurannya lebih kecil, maka luas penampang galian relatif lebih kecil. Sehingga biaya dan waktu pelaksanaan dapat dikurangi.

x Steel rib dapat digunakan sebagai tulangan tambahan untuk lining beton

x Dapat dipakai sebagai perkuatan permanen. Bila hal ini yang diinginkan, maka lining beton tidak perlu terlalu tebal dan hanya menjadi pelindung dari korosi.

Gambar 2.33 Steel Rib

(Rai, 1994)


2.6.3 Penyangga Batuan (Rock Bolt)

Sistem penyanggaan dengan rock bolt (baut batuan) adalah sistem penyanggan yang memelihara kesatuan antara massa batuan di sekeliling lubang bukaan dengan batuan induknya. Ada dua tipe baut batuan yang biasa digunakan pada terowongan teknik sipil, yang dibagi menurut penjangkarannya terhadap terhadap batuan, yaitu tipe expansion cell dan tipe cement grout. Tipe expansion cell digunakan bila kondisi batuannya baik, sedangkan tipe cement grout digunakan bila kondisi batuannya buruk dimana sifat penjangkaran sulit dilakukan oleh tipe expansion cell.

Secara umum penggunaan rock bolt memberi pengaruh sebagai berikut:

1. Pengaruh suspensi. Yaitu menjadi stabilator pada batuan yang retak atau yang mengalami penggalian dengan ledakan.

2. Merekatkan lapisan. Hal ini terjadi jika rock bolt ditempatkan dengan menembus lapisan berbeda yang relatif tipis.

3. Menaikkan kemampuan dukung. Tegangan pada rock bolt akan menekan batuan sehingga menghasilkan kekakuan yang baik dan peningkatan kekuatan geser.

Penggunaan rock bolt sebagai perkuatan/penyangga sendiri harus memperhatikan kondisi batuan. Rock bolt tidak dapat digunakan pada batuan/tanah yang terlalu lunak, dan sebaliknya pada batuan yang keras tidak dibutuhkan rock bolt/penyangga.

Gambar 2.34 Rock Bolt Tipe Cement Grout

(Rai, 1994)

2.6.4 Shotcrete

Shotcrete didefinisikan sebagai beton atau mortar yang disemprotkan pada suatu permukaan dengan kecepatan tinggi akibat dari diberikannya suatu tekanan (Shotcrete, Mason, dari Tunnel Engineering Handbook, editor J.O. Bickel & T.R. Kuesel).

Secara rinci pengaruh shotcrete pada pelaksanaan penggalian adalah (Pedoman Pekerjaan Terowongan Pegunungan, Komisi TerowonganHimpunan Insinyur Sipil Jepang):

1. Menjadi penyangga karena lekatan dengan batuan serta memberi tahanan geser

2. Memberi tekanan yang membatasi atau mengurangi penurunan kekuatan tanah


3. Meneruskan beban pada rusuk baja atau rock bolt

4. Melindungi permukaan terowongan dari terjadinya pemusatan tegangan

5. Menjadi pelindung dari pelapukan, rembesan, erosi dan lainnya

Shotcrete dilakukan dengan cepat, sebagai gambaran suatu campuran akselerator pada shotcrete dapat memberikan kekuatan setara dengan 28 hari umur beton hanya dalam waktu 10 jam.

Pada pelaksanaannya shotcrete ada yang dilengkapi dengan perkuatan berupa tulangan baja atau anyaman baja. Hal ini dimaksudkan untuk meningkatkan kekuatan geser dan lentur akibat tegangan tarik (tension) yang terjadi. Agregatnya berukuran relatif lebih kecil daripada agregat yang biasa digunakan untuk beton biasa. Sebagai sistem penyangga, biasanya beton tembak dikombinasikan dengan rock bolt agat pemasanganya tidak terlalu tebal.

Gambar 2.35 Tipikal Drymix Shotcrete

(Hoek, 2000)


Gambar 2.36 Tipikal Wet Shotcrete

(Hoek, 2000)

2.6.5 Precast Concrete Lining

Beton cetak telah sering digunakan pada kasus pembangunan subway di Eropa, Mexico, dan Jepang. Material tersebut dicetak dengan cetakan yang akurat dan dibentuk sedemikan rupa menjadi kedap air dengan neoprene gaskets. Beton cetak ini juga diperkuat dengan tulangan baja yang bertujuan untuk meningkatkan kemampuan memikul gaya tarik dan momen yang terjadi pada saat proses handling, ereksi, maupun proses majunya shield. Perkuatan baja juga bertujuan memikul beban permanen dari tanah.

2.7 METODA ANALISIS KESTABILAN

Dalam mendisain lining terowongan, ada berbagai macam metoda perhitungan untuk mengetahui distribusi tegangan dan deformasi tanah akibat penggalian terowongan. Metodametoda tersebut antara lain :

1. Metoda analitik, untuk perhitungan teganganregangan disekitar terowongan.2. Metoda empirik, untuk perhitungan penurunan permukaan.3. Metoda pengamatan, NATM, Convergence Confinement.4. Metoda numerik, Metoda Elemen Hingga.

2.7.1 Metode Analitik

Pada Gambar Gambar 2.18. tampak kondisi awal tegangan vertikal bernilai seragam di tiap titik dengan kedalaman yang sama. Menurut Mindlin (1939), jika pada lokasi tersebut


dilakukan penggalian terowongan, tegangan dari massa yang digali akan ditransfer ke sisi terowongan, yang mengakibatkan akumulasi tegangan di permukaan galian terowongan.

Pv2 + 'P

Pv2 = (h + 'h). J

Pv1 = h . J

2

1

Gambar 2.37 Tegangan pada Kondisi Awal dan Akibat Transfer Tegangan

(Szechy, 1973)

Akumulasi tegangan ini bernilai maksimum di sisi galian (spring line), dengan nilai dua kali tegangan awal. Pada Gambar 2.33, r adalah jarak titik tinjau dari pusat galian dan a adalah jarijari terowongan. Tegangan maksimum berada pada lokasi r/a = 1. Tegangan tersebut berkurang secara proporsional terhadap pertambahan jarak, kemudian menjadi konstan sebesar nilai awal pada lokasi kurang lebih r/a = 4 dari pusat galian terowongan.

p = J.

h

1 5432

2J.h

= 2

p

a

h

r

Gambar 2.38 Akumulasi Tegangan pada Permukaan Terowongan

(Szechy, 1973)

Tegangantegangan pada permukaan galian dapat diuraikan sebagai berikut:

Tegangan radial (Vr) yang searah radius

Tegangan tangensial (Vt) yang tegak lurus terhadap radial

Tegangan geser (Wrt), hasil interaksi dari Vr dan Vt

Tegangan dan perpindahan yang terjadi karena adanya terowongan yang berpenampang bulat dengan jarijari a di dalam massa batuan yang homogen dan isotropik dengan beban


tekanan biaksial serta kondisi regangan bidang dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut (Kirch, 1898) :

Tegangan radial :

TVV 2cos341111

2 44

22

2

ra

raK

raKvrr

Tegangan tangensial :

TVVTT 2cos

311112 4

4

2

2

raK

raKv

Tegangan geser :

TVV T 2sin

32112 4

4

2

2

ra

raKvr

Perpindahan radial :

TXV 2cos212114 2

22

raKK

Grau vr

Perpindahan aksial :

TXVT 2sin21214 222

raK

Grau v

Dimana:

v = tegangan total insitu vertikal yang terjadi di dalam tanahK = koefisien tekanan tanah lateralr = jarak suatu titik dalam tanah terhadap titik pusat lingkaran (m)a = jarijari lingkaran (tunnel)

G = Modulus geser = )1(2 X

E

Gambar 2.39 Distribusi Tegangan dan Deformasi di Sekitar Terowongan

(Szechy, 1973)


2.7.2 Metode Observasi

Metode observasi dilakukan dengan membandingkan terowongan yang akan dibuat dengan terowongan yang telah ada terlebih dahulu. Pada cara ini digunakan dokumentasi dari penggalian terowongan sebelumnya. Merancang terowongan dengan metode observasi melibatkan interpretasi data hasil pemantauan selama konstruksi.

a. Teknik Pemantauan Batuan

Pemantauan perilaku batuan dibawah tanah selama konstruksi adalah sangat penting. Pemantauan insitu yang sistematis dari perilaku massa batuan dan penyangga merupakan pengembangan yang prospektif bagi konstruksi terowongan untuk tahuntahun mendatang. Tujuan utama dilakukannya pemantauan insitu adalah untuk menentukan kestabilan penggalian dibawah tanah dengan menyediakan datadata kuantitatif dari perilaku massa batuan dan penyangga.

b. Metode Convergence Confinement

Metode ini sangat bergantung pada metoda penggalian dan sistem penyangga (support), yang dibatasi oleh usaha mengendalikan tekanan yang terjadi didalam tanah. Metoda ini difokuskan pada perilaku tanah akibat pengaruh pengendalian tekanan (confining pressure)yang dalam hal ini adalah penyanggaan.

c. Metode NATM

NATM adalah pendekatan atau filosofi yang memadukan prinsip perilaku tanah yang mengalami beban dan pemantauan perilaku penggalian dibawah tanah pada saat konstruksi. Yang utamanya. NATM adalah suatu pendekatan empiris ilmiah, yang melibatkan pengalaman praktek yang disebut empirical dimensioning (Racewizc, 1964). Tujuh ciri yang menjadi dasar NATM (Fuller, 1978) antara lain:

1. Mobilisasi kekuatan tanah2. Perlindungan oleh Shotcrete 3. Pengukuran deformasi dan beban4. Penyangga yang fleksibel 5. Penutupan Invert6. Pengaturan kontrak7. Klasifikasi tanah sebagai penentu ukuran penyangga

2.7.3 Metode Numerik

Metode numerik telah banyak dipergunakan pada berbagai bidang khususnya untuk mendapatkan solusi analitik yang cukup mendekati untuk kasuskasus yang rumit dan kompleks. Salah satu metode numerik yang dikembangkan dalam analisa numerik adalah Metode Elemen Hingga (finite Elemen Method). Metode elemen hingga telah banyak


digunakan dalam permasalahan geoteknik karena kemampuannya untuk menyelesaikan beberapa hal dibawah ini :

1) Keheterogenitasan struktur tanah

2) Kenonlinieran dan perilaku tanah

3) Interaksi tanahstruktur (pemasangan lining terowongan, pengaruh kegiatan konstruksi yang baru terhadap konstruksi sebelumnya)

4) Metode konstruksi

Konsep dasar metode elemen hingga adalah apabila suatu sistem dikenai gaya luar, maka gaya luar tersebut diserap oleh sistem tersebut dan akan menimbulkan gaya dalam dan perpindahan. Untuk mengetahui besarnya gaya dalam dan perpindahan akibat gaya luar tersebut, perlu dibentuk suatu persamaan yang mewakili sistem tersebut. Dalam metode elemen hingga keseluruhan sistem dibagi kedalam elemenelemen dengan jumlah tertentu. Selanjutnya dibentuk persamaan

> @^ ` ^ `RDK Dimana :

[K] = matriks kekakuan global

{D} = matriks perpindahan global

{R} = matriks gaya global

Proses pembentukan persamaan diatas harus memenuhi kondisi berikut :

1) Kesetimbangan, yaitu kesetimbangan gayagaya yang bekerja pada setiap elemen dan keseluruhan material.

2) Kompatibilitas, berkaitan dengan geometri dari material yaitu hubungan perpindahan dengan dan regangan.

3) Persamaan konstitutif dari material, mengenai hubungan teganganregangan yang merupakan kareakteristik dari material.

Metode elemen hingga merupakan cara pendekatan solusi analisis struktur secara numerik dimana struktur continum dengan derajat kebebasan tak hingga disederhanakan dengan diskretasi kontinum dalam elemenelemen kecil yang umumnya memiliki geometri lebih sederhana dengan derajat kebebasan tertentu (berhingga), sehingga lebih mudah dianalisis. Elemenelemen diferensial ini memiliki asumsi fungsi perpindahan yang dikontrol pada nodalnodalnya. Pada nodal tersebut diberlakukan syarat keseimbangan dan kompatibilitas. Dengan menerapkan prinsip energi disusun matriks kekakuan untuk tiap elemen dan kemudian diturunkan persamaan keseimbangannya pada tiap nodal dari elemen diskret sesuai dengan kontribusi elemennya.


Persamaan keseimbangan yang berbentuk persamaan aljabar simultan ini diselesaikan sehingga perpindahan nodal diperoleh. Regangan nodal dapat dihitung dari derajat kebebasan nodal sehingga tegangannya dapat ditentukan.

Persamaan tersebut dapat diselesaikan dalam bentuk matriks dibawah,

^ ` > @^ `VH C (2.1)Dengan,

> @

)1(2000101

1

QQ

Q

EC (2.2)

Maka persamaan di atas dapat ditulis :

^ ` > @ ^ ` > @^ `HHV EC 1 (2.3)Jika diketahui {H} adalah displacement satu node pada koordianat lokal maka :

^ ` > @^ `uD H (2.4)Dimana :

> @ > @

2)1(00

0101

11

QQ

Q

QECE (2.5)

Hubungan antara displacement pada tiaptiap node dengan gaya luar dapat dituliskan sebagai berikut :

Jika {u} menyatakan general displacement dan {q} menyatakan displacement titik nodal, maka terdapat hubungan antara keduanya sebagai berikut :

^ ` > @^ `qNu (2.6)Dimana [N] adalah fungsi bentuk displacement.

Subsitusi persamaan 2.6 ke 2.4 akan diperoleh :

^ ` > @> @^ `qND H (2.7)^ ` > @^ `qB H (2.8)^ ` > @> @NDB (2.9)[B] adalah regangan yang terjadi pada sembarang titik dalam elemen akibat satu satuan peralihan titik nodal. Subsitusi persamaan 2.9 ke persamaan 2.1 mengahasilkan :


^ ` > @> @^ `qBE V (2.10)Sekarang subsitusi persamaan 2.1, 2.6 dan persamaan 2.7 ke persamaan :

v v

TTT bdVUpqdV GGVGH (2.11)

Maka persamaan hubungan tegangan luar dan regangan dapat ditulis :

> @ > @> @ ^ ` ^ ` > @ ^ `

v

T

A

T dVbNPadABCB (2.12)

^ ` > @ ^ `

V

T dVbNPb (2.13)

> @ > @ > @

V

T dVEBK (2.14)

Maka persamaan 2.12 dapat ditulis :

> @^ ` ^ ` ^ `PbpqK (2.15)Dimana {Pb} adalah gaya nodal ekivalen akibat bekerjanya gaya badan. Jika gaya badan tidak disertakan, maka persamaan 2.15 dapat ditulis :

> @^ ` ^ `pqK (2.16)Adapun program yang menganalisis deformasi dan stabilitas dalam bidang geoteknik dengan menggunakan metode elemen hingga yaitu program PLAXIS.

2.8 TEORI DASAR PLAXIS

2.8.5.1 Definisi Umum Stress dan Strain

Material model adalah suatu set persamaan matematika yang mendeskripsikan hubungan antara tegangan dan regangan yang biasanya dinyatakan dalam bentuk pertambahan tegangan yang sangat kecil (biasa disebut juga dengan istilah stress rates), yang berhubungan dengan pertambahan dari regangan yang sangat kecil (strain rates). Semua material model yang diimplementasikan pada program, berdasarkan atas hubungan berikut:

....' HV M

Dimana :

'.V Effective stress rates = ( '

.

xxV , '.

yyV , '.

zzV , '.

xyV , '.

yzV , '.

zxV )T


.H Strain stress = ( '

.

xxH , '.

yyH , '.

zzH , '.

xyJ , '.

yzJ , '.

zxJ )T

M = Matriks kekakuan material

Gambar 2.40 Perjanjian Tanda Tegangan yang Terjadi dalam Koordinat Tiga Dimensi

(R.B.J. Brinkgreve and P.A Vermeer, 2001)

Tetapi untuk kondisi plane strain dan axisymmetric, hanya empat komponen yang diperlukan, karena memiliki nilai nol. Komponen normal stress yang bernilai positif dianggap tarik (tension), dan normal stress yang negatif dianggap tekan (compression). Juga untuk normal strain positif dianggap dilatasi (mengembangkan), dan normal strainnegatif dianggap kompaksi (menyusut).

Tegangan utama biasanya lebih sering dipakai daripada cartensian stress untuk memformulasikan beberapa model material. Dalam hal plane strain atau axisymmetric, tegangan utama dapat dihitung dari cartensian stress dengan menggunakan rumus :

xyyyxxyyxx

.22

....

1

.)(

41)(

21' VVVVVV

zz

.

2

.' VV

xyyyxxyyxx

.22

....

1

.)(

41)(

21' VVVVVV

Dengan kondisi 3.

2

.

1

.'' VVV tt

Sehingga '1V adalah compressive stress paling besar. Dalam hal ini, model material juga sering dipresentasikan dengan referensi principal stress space.

Tegangan lain yang juga penting adalah invatariant stress yaitu tegangan yang diukur secara independen terhadap orientasi koordinat system. Kedua invariant stress itu adalah :

)''(31' 3

.

2

.

1

.VVV p


21

.

3

.2

3

.

2

.2

2

.

1

.)()()''(2

1' VVVVVVq

Dimana :

3 adalah tegangan isotropic (tegangan efektif ratarata )

T adalah tegangan geser ekivalen

Konvensi S positif untuk tekan. Tegangan geser ekivalen (q) memiliki khusus untuk test triaxial, karena 32 '' VV maka

31

..VV q

Volumetric Strain (Y didefinisikan sebagai jumlah dari seluruh komponen regangan utama dimana bernilai negatif untuk kompaksi dan positif untuk dilatasi:

Y

Untuk model elastoplastik, regangan terdiri dari regangan elastis dan regangan plastik :pe HHH

2.8.5.2 Regangan Elastis

Model material yang paling sederhana adalah hukum Hooke mengenai prilaku isotropic linear elastic dari material, yang ditulis dalam persamaan :

xye

zzxe

yyxe

xxe

yx

zzx

yyx

xx

vvvv

vvvvvv

vG

HHHH

VVVV .

.

1000010101

212

''''

Matriks kekakuan elastis material bisa ditulis De. Ada dua parameter yang digunakan dalam model ini, yaitu shear modulus (G) dan efektif poisson ratio (v)

Hubungan antara shear modulus (G) dengan modulus kekakuan lainnya seperti bulk modulus (K) dan modulus Young (E) adalah :

GvvK

)21(3)1(2

GvE )21(2


Model elastik juga dapat dibuat dimana kekakuannya berubah secara linier terhadap kedalaman, yaitu dengan memasukkan nilai negatif untuk shear modulus. Input shear modulus (Ginput) pada titik dalam mesh menggunakan persamaan :

Gaktual = c. Ginput

Dimana c adalah nilai kohesi yang dimasukkan. Gradient nilai yang diperlukan oleh shearmodulus didapat dengan memasukkan nilai clayer dan cdepth. Kohesi tidak memiliki arti fisik untuk model elastik, sehingga prosedur diatas tidak mengganggu pemodelan.

Model elastik ini kurang cocok untuk membedakan tanah yang bersifat sangat nonlinier, tetapi dipergunakan untuk memodelkan struktur, seperti pelat atau dinding beton yang memiliki kekuatan jauh lebih besar dari tanah. Model elastik biasanya disatukan dengan model non porous material untuk mengabaikan tekanan air pori dalam elemen struktur.

2.8.5.3 Analisis Undrained Dengan Parameter Efektif pada PLAXIS

Dalam PLAXIS dimungkinkan untuk memodelkan keadaan undrained menggunakan parameter tanah efektif. Ini dapat dilakukan dengan memasukkan model tanah undrained. Tekanan air pori yang ditimbulkan oleh air dapat mempengaruhi total stress dari tanah.

Menurut Terzaghi total stress terdiri dari tegangan efektif 'V dan tekanan air pori wV .

wxxxx '' VVV

wyyyy '' VVV

wzzzz '' VVV

xyxy 'VV

Tekanan air pori terbagi atas tekanan air pori steady state (Psteady) dan tekanan ekses air pori (Pexcess) :

wV Psteady+ Pexcess

Tekanan air pori steady state dianggap sebagai input data, baik input melalui phreatic lineatau dengan menggunakan modul ground water calculation.

2.8.5.4 Model MohrCoulomb pada PLAXIS

Kondisi keruntuhan Mohrcoulomb merupakan pengembangan dari hukum Coulomb. Untuk menjamin bahwa hukum Coulomb berlaku untuk semua bidang datar dalam sebuah material elemen, kondisi keruntuhan MohrCoulomb dapat didefinisikan dengan fungsi keruntuhan tiga dimensi yang dirumuskan dalam bentuk hubungan tegangantegangan utama.


0cossin)(21

21

32321 t MMVVVV cf

0cossin)(21

21

13131 t MMVVVV cf

0cossin)(21

21

21211 t MMVVVV cf

Dua parameter model plastis yang ada pada fungsi keruntuhan MohrCoulomb adalah sudut geser (I) dan Kohesi (c). Fungsi keruntuhan ini menggambarkan sebuah kerucut segi enam dalam ruang tegangan. Beberapa program menggunakan smooth tension dari yield surface yang satu ke yield surface yang lainnya yaitu dengan menghaluskan sudut antara kedua yield surface, sedangkan pada PLAXIS, memakai bentuk eksak dari model MohrCoulomb, yaitu menggunakan sharp transition dari satu yield surface ke yield surfacelainnya.

Untuk c > 0, MohrCoulomb memungkinkan untuk terjadinya tegangan tarik, sehingga tegangan tarik dapat meningkat sebanding dengan meningkatnya kohesi. Tetapi dalam kenyataan, tanah hanya mampu menahan tegangan tarik yang sangat kecil atau sama sekali tidak ada. Keadaan ini dapat dimodelkan dalam PLAXIS dengan menggunakan tension cutoff. Dalam kasus ini lingkaran Mohr dengan tegangan utama yang negatif tidak diizinkan. Tension cutoff mengandung tiga fungsi tambahan yaitu :

0' 114 t VVf

0' 125 t VVf

0' 136 t VVf

Ketiga prosedur tension cutoff digunakan, tegangan tarik izin (Vt) sama dengan nol. Untuk kondisi tegangan berada dalam garis keruntuhan perilakunya bersifat elastis. Disamping

parameter plastisitas MI danc ,, , diperlukan juga masukan elastik shear modulus (G) dan poisson ratio (Q). Jadi model MohrCoulomb memerlukan lima parameter yang dapat diperoleh dari test tanah, yaitu :

)1(2 vEG

2.8.5.5 Modulus Kekakuan pada PLAXIS

PLAXIS menggunakan modulus geser G sebagai modulus kekakuan dasar dalam model MohrCoulomb. Parameter kekakuan ini berhubungan dengan Modulus Young (E) yang ditunjukkan pada persamaan diatas. Harga dari parameter kekakuan memerlukan perhatian khusus karena banyak material tanah memiliki sifat nonlinier dibandingkan pada saat pembebanan awal. Pada tes triaksial konvensional kemiringan awal dari hubungan


tegangan regangan biasanya disebut E0 dan secant modulus 50% kekakuan didefinisikan sebagai E50. untuk tanah lempung yang highly overcosolidated dan batuan dengan large linier elastic range, sebaiknya menggunakan E50. Untuk pasir dan lempung normally consolidated, lebih cocok menggunakan E50.

Untuk beberapa tanah, initial modulus dan secant modulus bertambah dengan meningkatnya tekanan keliling. Maka lapisan tanah yang lebih dalam cenderung memiliki kekakuan yang lebih besar dibandingkan lapisan yang lebih dangkal. Sifat material ini dapat dimodelkan dalam Advanced MohrCoulomb. Kekakuan yang diperoleh pada observasi tergantung stress path.

Kekakuan tanah hasil observasi dalam hal modulus geser atau modulus young pada umumnya lebih rendah untuk tekan dibandingkan dengan geser. Maka jika menggunakan modulus kekakuan yang konstan untuk memodelkan sifat tanah, sebaiknya dipilih nilai yang sesuai dengan stress level dan stress path yang terbentuk.

Untuk model standar MohrCoulomb, penambahan linier dari modulus geser dengan kedalaman dapat dinyatakan dengan cara sebagai berikut :

Ketika memasukkan nilai modulus geser yang negatif, maka modulus geser yang dipakai oleh PLAXIS adalah hasil kali nilai modulus geser yang dimasukkan dengan kohesi, yaitu :

Gaktual = c Ginput

Apabila kohesi bertambah dengan bertambahnya kedalaman modulus gesernya meningkat berbanding lurus dengan kedalaman.

2.8.5.6 Poisson Ratio pada PLAXIS

Pada tes triaksial undrained yang standar, untuk pembebanan aksial awal, dapat mengakibatkan perubahan volume yang cukup besar. Sehingga harga awal dari poisson ratio cukup kecil. Harga poisson ratio ini cukup kecil disebut harga elastik murni Vu. Harga tersebut dapat digunakan pada kasus unloading. Tetapi secara umum ketika menggunakan MohrCoulomb disarankan memakai harga yang lebih besar.

Pemilihan poisson ratio sangat sederhana dalam kasus gravity loading, dimana PLAXIS memberikan ratio elastic dari Konc yaitu koefisien tekan tanah lateral untuk kedalaman normally consolidated. MohrCoulomb model memberikan rasio yang cukup yang cukup baik untuk one dimensional compression yaitu :

)1( vv

v

h

VV

Apabila Konc sudah didapat maka untuk memilih nilai poisson ratio dapat dihitung dari persamaan diatas. Maka Q dapat dievaluasi dengan mencocokkan Konc. Dalam beberapa kasus nilai poisson ratio antara 0,3 0,4.


2.8.5.7 Parameter Sudut Geser pada PLAXIS

Sudut geser dinyatakan dalam satuan derajat dan merupakan penambahan dari shear strength dengan stress level. Sudut geser yang besar, kadang ditemui pada dense sand, yang cenderung menurun ketika tanah mengalami shear deformation yang terusmenerus. Ketika sudut geser yang konstan digunakan pada model MohrCoulomb, lebih cocok menggunakan Icr (sudut geser kritis) dibandingkan dengan nilai yang lebih besar yang dihasilkan dengan regangan yang kecil. Selain itu menggunakan sudut geser yang besar akan meningkatkan beban komputasi, sehingga waktu untuk mengeksekusi akan meningkat secara eksponensial.

2.8.5.8 Parameter Kohesi pada PLAXIS

Dimensi kohesi sama dengan dimensi tegangan. PLAXIS dapat menangani material yang memiliki kohesi seperti pasir (c=0) tetapi tidak akan berjalan dengan baik. Sebaiknya harga kohesi yang kecil untuk prosedur non linear pada PLAXIS agar lebih efektif. Harga c=1 kPa lebih cocok untuk digunakan pada kebanyakan kasus. Perlu diperhatikan bahwa pada praktek di lapagan, material yang tidak memiliki kohesi sama sekali kadangkadang kita temui. Kohesi yang kecil umumnya diperlukan untuk mencocokkan pengukuran shear strength dari tes triaksial pada stress level yang berbedabeda. Dari sudut pandang praktek di lapangan menggunakan nilai kohesi yang kecil dapat dibenarkan. Pada undrainedanalysis, yaitu analisis tegangan total pada material undrained (UU), kohesi dapat digunakan untuk menyatakan undrained shear strength karena tidak ada sudut geser. Pada PLAXIS bisa menggunakan harga kohesi yang bertambah sesuai dengan bertambahnya kedalaman yaitu dengan memasukkan nilai cdepth yaitu pertambahan kohesi tiap unit kedalaman.

Perhatikan bahwa parameter efektif dari model harus dimasukan dalam set data material, yaitu E, , c, dan bukan Eu, u, cu (su), u.

jbptitbpp-gdl-rezaardian-30348-3-2008ta-2.pdf

Documents

Transcript of jbptitbpp-gdl-rezaardian-30348-3-2008ta-2.pdf