I. SIFAT ELASTISITAS BATUAN TERHADAP METODE SEISMIC

Lapisan batuan bawah permukaan bumi memiliki sifat variatif yang dipengaruhi

oleh sifat elastisitas batuan. Salah satu metode geofisika yang digunakan untuk

mengetahui sifat elastisitas batuan adalah metode seismic, karena dalam perambatan

gelombang seismic sangat bergantung pada sifat elsatisitas batuan. Gelombang seismic

disebut gelombang elastic, karena menyebabkan deformasi pada bahan yang dilaluinya.

Dalam mempelajari gelombang seismic harus memahami mekanisme dan

evaluasi informasi dari gelombang tersebut melalui prinsip-prinsip dasar fisika yang

berkaitan dengan karakteristik gelombang seismic. karakteristik tersebut berkaitan

dengan cara pembangkitan gelombang, mekanisme penjalaran gelombang, pemantulan,

pembiasan, dan penghamburan gelombang. Teori elastisitas erat hubungannya dengan

karakteristik gelombang elastic, diantaranya yaitu:

Tegangan

Tegangan merupakan suatu vector yang didefinisikan sebagai perbandingan gaya

dengan luas, secara matematis yaitu:

Tegangan normal merupakan tegangan yang searah dengan gaya normal, yaitu:

Tegangan geser merupakan tegangan yang tegak lurus terhadap gaya normal, yaitu:

Regangan

Regangan merupakan perbandingan perubahan panjang dengan panjang mula-

mula yang dinyatakan sebagai turunan parsial dengan beranggapan bahwa X1 dan X2

tidak berubah pada saat X1 mengalami perubahan.

Dalam analisa regangan juga dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu:

a. Tensor Rotasi

Tensor rotasi didefinisikan sebagai perpindahan komponen akibat elemen

terterntu yang mengalami rotasi terhadap sumbu tertentu tanpa deformasi dan

menghasilakn sudut rotasi.

b. Regangan Geser

Regangan normal merupakan proses terjadinya deformasi pada arah horizontal.

Regangan geser atau disebut tensor regangan merupakan bidang yang mengalami rotasi

yang tegak lurus terhadap suatu sumbu.

c. Dilatasi

Adanya regangan geser mnyebabkan volume benda berubah yang menghasilkan

besaran θ yang disebut dilatasi.

Hukum Hooke

Hokum hooke menyatakan bahwa tegangan dan regangan memiliki hubungan

sifat elastic yang linear, yaitu:

Tegangan = konstanta x regangan

Konstanta tersebut terdiri dari λ dan μ yang disebut parameter elastic lame atau konstanta

lame.

Penurunan Persamaan Gelombang Seismik

Dalam penjalaran gelombang seismic gaya dalam seperti gaya gravitasi dapat

diabaikan, demikian juga uanutk perpindahan yang kecil d/dt dapat diganti dengan δ/ δt.

Pada gambar diatas terlihat perangkat tegangan (streses) yang bekerja pada arah

X1, persamaannya yaitu:

Melalui hubungan persamaan Hukum Hooke, untuk padatan yang isotropis

komponen stress dapat diganti dalam uangkapan perpindahan (displacement).

Untuk perpindahan dalam arah X1, X2, dan X3 dapat ditulis sebagai:

Persamaan diatas dapat ditulis dalam bentuk vector dengan asumsi:

Maka dapat dituliskan:

Suatu persamaan gelombang yang mendefinisikan penjalaran dilatasi cubical dengan

kecepatan:

Perumusan diatas menjadi bukti bahwa gelombang tekan (compressional waves)

yang bergerak dengan kecepatan α dapat menjalar pada sebarang padatan isotropis. Jika

persamaan diatas di operasikan dengan operator curl, maka persamaannya menjadi:

Persamaan diatas merupakan persamaan gelombang yang merepresentasikan

penjalaran rotasional murni yang menjalar dengna kecepatan β.

Persamaan diatas menjadi bukti adanya penjalaran gelobang transversal atau rotasional

pada padatan elastic isotropis. Gelombang yang mejalar dengan kecepatan lebih besar (α)

disebut gelombang compresional dilatasional, irotasional, atau gelombang P (primary).

Sedangkan gelombang kedua dengan kecepatan lebih rendah (β) disebut gelombang

distorsional, rotasional, shear, atau gelombang S (secondary). Hubungan parameter

elastic dengan kecepatan penjalaran gelombang adalah:

a. Modulus Kekakuan (Rigidity Modulus)

Modulus kekakuan adalah perbandingan komponen tegangan geser dengan

regangan geser yang bersesuaian.

b. Poison’s Ratio

Poison;s ratio merupakan perbandingan regangan longitudinal dengan regangan

normal.

c. Konstanta Lame

d. Modulus Young

Modulus young didefinisikan sebagai perbandingan tegangan normal dengan

kontraksi lateral yang disebabkannya.

e. Modulus Bulk

Modulus bulk merupakan perbandingan tekanan aksila dengna deformasi volume

yang dihasilkan.

II. SIFAT MEKANIKA BATUAN

Mekanika batuan didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari sifat dan perilaku

batuan yang memperoleh gaya atau tekanan.

Sifat Batuan

a. Heterogen : mencakup jenis mineral pembentuk batuan yang berbeda, memiliki

ukuran dan bentuk partikel atau butir, serta penyebaran void yang berbeda di dalam

batuan.

b. Diskontinu : pada dasarnya masa batuan di alam diskontinu yang dipengaruhi oleh

adanya bidang-bidang lemah seperti crack, joint, fault, fissure dan lainnya, dimana

kerapatan, perluasan, dan orientasi dari bidang-bidang lemah tersebut diskontinu.

c. Anisotropy : diasumsikan bahwa suatu batuan memiliki nilai ekivalen untuk

mempermudahkan perhitungan dalam mekanika batuan yang didukung oleh adanya

sifat batuan berupa hetorogen, diskontinu, dan isotrop.

Ciri – Ciri Mekanika Batuan

a. Batuan dapat diasumsikan memiliki sifat kontinu apabila berukuran besar, solid, dan

massa batuan yang kuat atau keras.

b. Secara alamiah dan peninjauan lingkungan geologi, maka batuan dianggap diskontinu

yang memiliki kekar, fissure, schistosity, crack,cavities, dan diskontinuitas lainnya.

c. Secara mekanika, batuan merupakan sistem “multiple body”.

d. Analisis mekanika batuan diindentifikasikan pada bidang dan runag.

e. Mekanika batuan menggunakan teori elastisitas,teori plastisitaas, dan mempelajari

batuan, sistem struktur batuan secara eksperimen.

Sifat Mekanika Batuan

Sifat mekanika batuan terdiri dari kuat tekan, kuat tarik, modulus elastisitas,

poison’s ratio yang pada keadaan tertentu batuan mengalami deformasi akibat adanya

faktor-faktor pendukung seperti gaya, tegasan, dan tarikan yang mempengaruhi karakter

suatu material.

III. RINGKASAN MATERI KULIAH DR. ALDRIN TOHARI (LIPI)

Likuifaksi

Sladen, at al (1995), mendefinisikan likuifaksi sebagai fenomena yang

mengidentifikasikan bahwa massa tanah kehilangan sebagian besar tahanan geser akibat

beban dinamik atau siklik, sehingga mengalir seperti cairan hingga tegangan geser yang

bekerja sebanding dengan berkurangnya tahanan geser.

Faktor Utama Pengontrol Likuifaksi Tanah

a. Intensitas dan Durasi Gempa Bumi

Kecepatan dan durasi gempa bumi yang mengindikasikan regangan geser (shear

strain) yang menghasilakn kontraksi partikel tanah dan tekanan air pori sehingga

terjadi likuifaksi.

Intensitas tinggi dan durasi lama, sehingga meningkatkan potensi likifaksi.

Akselerasi ag>0.1 gdan Ml>5.0 (Ishihara, 1985).

b. Muka Air Tanah

Kondisi muka air tanah dekat permukaan (< 4.0 m).

Fluktuasi pada muka air tanah mempengaruhi adanya likuifaksi.

c. Jenis Tanah

Ishihara mengungkapkan bahwa deposit pasir halus hingga medium dan pasir

yang mengandung partikel halus dengan plastisitas rendah, dan likuifaksi

terkadang terjadi pada pasir kerikilan.

Criteria tanah yang rentan terhadap likuifaksi memiliki persen partikel halus pada

0.005 mm < 15%, batas cair < 35%, dan kadar air tanah > 0.9 batas cair.

d. Kepadatan Relative

Tanah dengan kepadatan relative lepas dan tidak berkohesi akan rentan terhadap

likuifaksi.

Tanah non plastis lepas akan kontraktif selama goncangan sehingga

menyebabkan pembentukan tekanan air pori ekses.

e. Gradasi Ukuran Partikel

Tanah non plastis yang tergradasi uniform rentan terhadap likuifaksi

dibandingkan tanah tergradasi sangat baik, karena tanah yang tergradasi sangat baik

mengandung partikel halus yang mengisi rongga kosong diantara partikel besar,

sehingga cenderung mengurangi resiko selama goncangan yang menghasilkan

tekanan air pori lebih kecil.

f. Lingkungan pengendapan

Lingkungan yang rentan terhadap potensi liukuifaksi berupa endapan tanah asli

yang terbentuk pada lingkungan deposisi danau, sungai, dan laut.

g. Tekanan Keliling (confining pressure)

Kerentanan likuifaksi berkurang pada kondisi tekanan keliling yang bersar,

mencakup: muka iar tanah dalam, lapisana tanah yang dalam, dan beban pada

permukaan tanah.

h. Bentuk Partikel

Tanah yang mengandung partikel bulat rentan terhadap likuifaksi, karena

cenderung mudah mengalami pemadatan, sedangkan partikel menyudut tidak.

i. Umur dan sementasi

Deposit tanah berumur muda lebih rentan terhadap likuifaksi dibandingkan

deposit tua. Partikel tanah yang mengalami kompresi menjadi lebih stabil dan

pembentukan sementasi antar partikel dapat meningkatkan ketahanan terhadap

likuifaksi.

j. Lingkungan Terdahulu

Deposit tua yang sering mengalami goncangan akan kurang rentan tehadap

likuifaksi walapun memiliki kepadatan yang sama dengan deposit muda, (Finn, et al,

1970 ; Seed, at al 1975).

Syarat Terjadinya Likuifaksi

Adapun karakteristik untuk terjadinya likuifaksi meliputi:

a. Tanah berjenis lanau atau pasir lepas yang berumur Holocene.

b. Air tanah dangkal dengan kedalaman mata air tanah < 12 m.

c. Gempa bumi kuat berskala MMI > VI dengan durasi getaran lama lebih dari 1 menit.

Metode Investigasi Lapangan Bahaya Likuifaksi

Dalam menginvestigasi bahaya likuifaksi dapat menggunakan metode SPT

(standard Penetration Test) dan CPT (Cone Penetrating Test) dengan kedalaman

investigasi potensi likuifaksi sebesar 15 m dari permukaan tanah.

Kelebihan dan Keterbatasan Metode CPT Vs SPT

Adapun kelebihan metode CPT dibandingkan metode SPT meliputi data atau

profil tahanan tanah terhadap penetrasi yang menjauh mengindikasikan interpretasi

stratigrafi lapisan tanah dan dapat dilakukan pengujian yang lebih cepat serta ekonomis

dibandingkan pemboran dan uji laboratorium.

Adapun keterbatasan metode CPT yaitu tidak adanya sampel untuk uji

laboratorium, hanya memberikan perilaku jenis tanah bukan actual, dan kedalaman

pengujian dibatasi oleh lapisan tanah kerikilan.

Rasio Tegangan Siklik (CSR)

Dalam metode Seed dan Idriss (1970) mengungkapkan bahwa:

Dimana τav merupakan tegangan geser siklik akibat gempa bumi rata-rata, σvo adalah

tegangan vertical efektif sebelum gempa bumi, a max merupakan percepatana tanah

maksimum, g addalah percepatan gravitasi, dan rd merupakan faktor pengurangan

tegangan terhadap kedalaman, dengan nilai faktor pengurangannya adalah:

Evaluasi Penurunan Total Akibat Gempa Pada Lapisan Jenuh Air

Penurunan pada setiap lapisan tanah jenuh air (Ssat) dihasilkan dari perkalian

antara regangan volumetric (ɛv) dengan ketebalan setiap lapisan tanah (z):

S (sat) = (ɛv/100). dZ

Penurunan lapisan tanah jenuh air total akibat gempa (Stotal) adalah:

Stotal = ∑dasar

d

Ssat

Analisi Kerentanan Likuifaksi

Iwasaki dkk (1982), mengusulkan formula untuk mengkaji efek likuifaksi

terhadap infrastruktur yang memasukan faktor keamanan, yaitu:

Mitigasi dari Likuifaksi

Menghindari daerah yang rentan terhadap likuifaksi.

Mengontruksikan bahan bangunan tahan terhadap likifaksi,

Melakukan Ground Improvement, yaitu meningkatkan kepadatan dan kekuatan tanah

dengan menginjeksikan semen, kompaksi, dan mengontrol air pori tanah (vertical

drainage).