Perkembangan Vertikal Drain Pada tahun 1925, Daniel E. Moran memperkenalkan pemakaian drainase dari kolom-kolom pasir untuk stabilitas tanah pada kedalaman yang besar dan selanjutnya keberhasilan drainase tipe ini dipakai disebelah barat benua Amerika (Amerika Serikat) dan pada tahun 1944 disebelah timur negara tersebut. Tipe drainase selanjutnya dikenal dengan drainase vertikal. Sejak tahun itu, pemanfaatan drainase vertikal yang dikenal dengan metode vertikal drain berkembang demikian pesat, umumnya dalam pekerjaan-pekerjaan konstruksi timbunan untuk jalan raya, tanggul, tanah hasil reklamasi pantai.Pada tahun 1936, diperkenalkan sistem vertikal drain dengan bahan sintesis oleh Kjellman di Swedia. Setelah di tes di beberapa tempat pada tahun 1937 dengan bahan calboard wick mendapat sambutan yang hangat dari para ilmuwan. Sejak saat itu pengembangan vertikal drain dilanjutkan menggunakan berbagai macam bahan. Ini dilakukan para ilmuan agar dapat mempercepat waktu penurunan konsolidasi yang lama. Pengembangan yang terbaru bagi vertikal drain adalah vertikal drain sintesis. Dengan memenuhi persyaratan untuk kelayakan vertikal drain dan bahkan vertikal drain sintesis dapat mempercepat waktu penurunan konsolidasi lebih cepat dari bahan-bahan terdahulunya sehingga menjadi pilihan utama saat mengatasi masalah konsolidasi. Prinsip Vertikal DrainLaju konsolidasi yang rendah pada lempung jenuh dengan permeabilitas rendah, dapat dinaikkan dengan menggunakan drainasi vertikal (vertical drain) yang memperpendek lintasan pengaliran dalam lempung. Kemudian konsolidasi terutama diperhitungkan akibat pengaliran horisontal radial, yang menyebabkan disipasi kelebihan tekanan air pori yang lebih cepat, pengaliran vertikal kecil pengaruhnya. Dalam teori, besar penurunan konsolidasi akhir adalah sama, hanya laju penurunannya yang terpengaruh.Karena tujuannya adalah untuk mengurangi panjang lintasan pengaliran, maka jarak antara drainasi merupakan hal yang terpenting. Drainasi tersebut biasanya diberi jarak dengan pola bujur sangkar atau segitiga. Jarak antara drainasi tersebut harus lebih kecil daripada tebal lapisan lempung dan tidak ada gunanya menggunakan drainasi vertikal dalam lapisan lempung yang relatif tipis. Untuk mendapatkan desain yang baik, koefisien konsolidasi horisontal dan vertikal (Ch dan Cv) yang akurat sangat penting untuk diketahui. Biasanya rasio Ch /Cv terletak antara 1 dan 2, semakin tinggi rasio ini, pemasangan drainasi semakin bermanfaat. Nilai koefisien untuk lempung di dekat drainasi kemungkinan menjadi berkurang akibat proses peremasan (remoulding) selama pemasangan (terutama bila di-gunakan paksi), pengaruh tersebut dinamakan pelumasan (smear). Efek pelumasan ini dapat diperhitungkan dengan mengasumsikan suatu nilai Ch yang sudah direduksi atau dengan menggunakan diameter drainasi yang diperkecil.Masalah lainnya adalah diameter drainasi pasir yang besar cenderung menyerupai tiang-tiang yang lemah, yang mengurangi kenaikan tegangan vertikal dalam lempung sampai tingkat yang tidak diketahui dan menghasilkan nilai tekanan air pori berlebihan yang lebih rendah dan begitu pula halnya dengan penurunan konsolidasi. Efek ini minimal bila menggunakan drainasi cetakan karena fleksibilitasnya. Pengalaman menunjukkan bahwa drainasi vertikal tidak baik untuk tanah yang memiliki rasio kompresi sekunder yang tinggi, seperti lempung yang sangat plastis dan gambut, karena laju konsolidasi sekunder tidak dapat dikontrol oleh vertikal drain.Jenis Vertikal DrainPada prinsipnya drainase ini dapat dikatakan menjamin aliran air tanpa hambatan atau dapat dikatakan kecil ke arah vertikal yaitu ke arah lapisa porus yang berada di atas muka tanah atau bahkan dua lapisan porus di atas dan di bawah lapisan lunak (berada dalam tanah) dan juga tidak menimbulkan masalah pada bidang kontak antara tanah dan drain.Tipe vertikal drain bergantung pada material yang digunakan dan dibagi menjadi dua bagian besar, yaitu:a.Vertikal drain konvensional.b.Vertikal drain sintesis.

Vertikal Drain KonvensionalTipe ini klasik yang sudah banyak digunakan. Bahan yang digunakan adalah bahan bergradasi atau pasir (sand drain). Umumnya terdiri dari pasir atau kerikil yang mempunyai permeabiitas tinggi.Metode tradisional dalam membuat vertikal drain adalah dengan membuat lubang bor pada lapisan lempung dan mengurung kembali dengan pasir yang bergradasi sesuai diameternya sekitar 200 - 400 mm dan saluran drainasi tersebut dibuat sedalam lebih dari 30 m. Pasir harus dapat dialiri air secara efisien tanpa membawa partikel-partikel tanah yang halus.Drainasi cetakan juga banyak digunakan dan biasanya Iebih murah daripada drainasi urugan untuk suatu daerah tertentu. Salah satu jenisnya adalah drainasi prapaket (prepackage drain) yang terdiri dari sebuah selubung filter, biasanya dibuat dari polypropylene, yang diisi pasir dengan diameter 65 mm. Jenis ini sangat fleksibel dan biasanya tidak terpengaruh oleh adanya gerakan-gerakan tanah lateral.

Vertikal Drain SintetikAda beberapa macam dari vertikal drain sintetik dan dapat dikategorikan dalam beberapa kategori (Magnan, 1983) :a.Vertikal drain sintesis dari bahan karton.b.Vertikal drain dari bahan plastik.c.Vertikal drain dari bahan pasir yang dibungkus dengan material sintetik.d.Vertikal drain dari bahan serabut kelapa.

Vertikal drain sintetik umunya berbentuk strip dan terdiri dari dua komponen utama yaitu inti plastik yang dibungkus dengan material geosintesis. Inti plastik berfungsi sebagai penyalur air dan pembungkus sebagai filter bagi partikel tanah halus.Dibanding dengan vertikal drain dari bahan pasir (sand drain), vertikal drain sintesis mempunyai beberapa keuntungan menurut Young (1997), diantaranya :1.Gangguan tanah akibat pemasangan lebih kecil.2.Alat-alat pemasangan lebih ringan.3.Meniadakan kontrol kualitas pasir dilapangan.4.Kualitas vertikal drain sintesis lebih seragam.5.Menjamin jalur drainase yang kontinyu.6.Kontaminasi partikel halus jauh lebih kecil.7.Menahan deformasi yag besar tanpa menghilangkan fungsinya.8.Lebih cepat pemasangannya.9.Lebih ekonomis.Karena alasan-alasan tersebut metode sand drain semakin jarang digunakan dan banyak yang memilih menggunakan vertikal drain jenis sintesis.Penggunaan Vertikal DrainVertikal drain dapat dipergunakan dalam berbagai aplikasi, diantaranya di bawah embankment jalan raya, jalan kereta api atau landas pacu pesawat serta di bawah pondasi tanki minyak yang berdiri di atas tanah lunak , pada konstruksi-konstruksi tersebut. Vertikal drain terutama digunakan untuk mempercepat proses konsolidasi sehingga pada waktu konstruksi yang sebenarnya didirikan, tidak akan dialami penurunan atau beda penurunan yang berlebihan yang dapat menyebabkan gangguan operasi sarana-sarana tersebut atau bahkan merusak strukturnya. menunjukkan aplikasi di oprit jembatan, bila oprit jembatan masih dapat mengalami penurunan pada waktu operasi maka akan timbul beda elevasi antara oprit jembatan dengan jembatannya yang biasanya tidak turun (sangat kecil) karena berdiri di atas pondasi dalam.Bila dalam pelebaran suatu jalan, elevasi jalan baru harus dibuat sama dengan jalan lama, sedangkan penggalian tanah disamping jalan lama dapat menimbulkan gangguan stabilitas, maka vertikal drain merupakan solusi yang tepat. Bila diperlukan suatu embankment yang tinggi dan dihadapi masalah stabilitas, vertikal drain dapat dipakai untuk mempercepat keluarnya tegangan air pori dan meningkatkan tegangan efektif tanah sehingga kestabilan tanah pondasi embankment tersebut menjadi lebih baik . Pada proyek reklamasi vertikal drain digunakan untuk mempercepat proses penurunan dan meningkatkan stabilitas sehingga proses pengurukan dapat berjalan dengan balk dan cepat. Vertikal drain juga dapat dikombinasikan dengan metode prakompresi hampa udara (vacuum drainage) atau pemadatan dinamis (dynamic consolidation) untuk mempercepat disipasi tegangan air pori yang timbul pada waktu dilakukan proses pemadatan . Dalam proses prakompresi hampa udara, pemasangan vertikal drain tidak boleh mnencapai lapisan permeabel yang mengandung sumber air karena ini akan berakibat tersedotnya air dari lapisan permeabel tsb. Pemancangan tiang pancang dlbawah lereng galian akan menimnbulkan tegangan air pori yang dapat membahayakan kestabilan lereng galian tsb. disini vertikal drain akan sangat berguna untuk mempercepat proses keluarnya tegangan air pori sehingga kestabilan lereng tidak banyak terganggu.

Teknik Preloading dan Penggunaan Vertical DrainsSeiring dengan meningkatnya jumlah penduduk, urbanisasi, dan pembangunan, banyak kegiatan konstruksi yang semakin fokus terhadap perilaku tanah. Apalagi dengan kondisi tanah yang beragam dan tidak selalu sama pada masing-masing areal konstruksi sehingga mengharuskan ketelitian dalam perencanaan dan pelaksanaan konstruksi itu sendiri. Untuk mengatasi kondisi tanah yang tidak sesuai dengan yang diharapkan, maka ada beberapa teknik yang digunakan dalam rangka meningkatkan mutu tanah tertentu, diantaranya yaitu teknik preloading dan vertical drain.

Preloading dan vertical drain pada dasarnya bertujuan untuk meningkatkan kekuatan geser pada tanah, mengurangi kompresibilitas/kemampumampatan tanah, dan mencegah penurunan (settlement) yang besar serta kemungkinan kerusakan pada struktur bangunan. Preloading dan vertical drain umumnya digunakan pada tanah dengan daya dukung yang rendah seperti pada tanah lempung lembek dan tanah organik. Jenis tanah tersebut biasanya memiliki ciri seperti berikut : kadar air yang ekstrim, kompresibilitas yang besar, dan koefisien permeabilitas yang kecil. Pada prinsipnya teknik preloading menggunakan vertical drains merupakan metode perkuatan tanah dengan cara mengurangi kadar air dalam tanah (dewatering). Biasanya waktu konsolidasi yang dibutuhkan untuk jenis tanah seperti ini memakan waktu yang lama meski dengan menggunakan beban tambahan yang besar, sehingga teknik preloading mungkin kurang cocok untuk jadwal kontruksi yang mepet. Ilustrasinya dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

(preloading of subsoil)

Jika beban sementara melebihi beban akhir konstruksi maka kelebihan beban tersebut mengacu kepada beban tambahan (surcharge), dimana dengan menggunakan beban tambahan sementara (surcharge) yang melebihi beban kerja, tanah akan berada pada kondisi overconsolidated dan secondary compression untuk tanah overconsolidated akan jauh lebih kecil daripada tanah dengan normally consolidated. Hal ini akan menguntungkan perencanaan tanah selanjutnya (Chu et all., 2004).

Dari grafik di atas, dapat dilihat settlement yang terjadi akibat adanya beban tambahan (surcharge) lebih besar daripada beban rencana (design load) pada selang waktu yang sama. Selain dengan menggunakan teknik preloading dan menggunakan beban tambahan sementara (surcharge), peningkatan mutu tanah dapat juga dilakukan dengan menggunakan vertical drains, selain itu waktu konsolidasi pun juga semakin singkat sebab aliran drainase yang terjadi bukan hanya ke arah vertikal tapi juga ke arah horizontal. Drain-drain vertikal tersebut dapat diisi dengan dengan pasir atau bahan lain yang memiliki permeabilitas besar. Untuk saat ini pengembangannya pun sudah beragam, ada juga yang menggunakan prefabricated vertical drain, berupa bahan geotekstil atau bahan sintetis sejenisnya.

Perkembangan vertical drains sendiri sudah dimulai sejak tahun 1925, dimana D.J.Moran seorang insinyur berkebangsaan Amerika memperkenalkan pemakaian drainase dari kolom-kolom pasir untuk stabilitas tanah pada kedalaman yang besar. Kemudian untuk pertama kalinya instalasi drainase ini digunakan di California dan seiring dengan berjalannya waktu, tipe drainase ini dikenal dengan istilah drainase vertikal (vertical drain). Pada tahun 1936, diperkenalkan sistem drainase menggunakan bahan sintetis oleh Kjellman di Swedia. Setelah di tes di beberapa tempat pada tahun 1937 dengan bahan cardboard, lantas mendapat sambutan yang hangat oleh para ilmuwan. Sejak saat itu, pengembangan vertical drain dilanjutkan dengan berbagai macam bahan.

Dengan digunakannya prefabricated vertical drains, waktu yang dibutuhkan untuk konsolidasi melalui teknik preloading pun menjadi semakin singkat dan penurunan/settlement yang terjadi juga dapat direduksi. Bahkan proses installasi nya pun saat ini sudah semakin berkembang dimana prefabricated vertical drain dapat mencapai kedalaman 60 m dengan laju 1 m/dt.

Prinsip Vertical DrainsSeperti yang telah disebutkan sebelumnya bahwa tanah lempung lunak memiliki permeabilitas yang rendah, sehingga membutuhkan waktu yang lama untuk menyelesaikan konsolidasi. Untuk mempersingkat waktu konsolidasi tersebut, drainase vertikal (vertical drains) dikombinasikan dengan teknik preloading. Vertical drain tersebut sebenarnya merupakan jalur drainase buatan yang dimasukkan kedalam lapisan lempung. Dengan kombinasi preloading, air pori diperas keluar selama konsolidasi dan mengalir lebih cepat pada arah horizontal daripada arah vertikal. Selanjutnya, air pori tersebut mengalir sepanjang jalur drainase vertikal yang telah diinstalasi. Oleh karena itu, vertical drain berfungsi untuk memperpendek jalur drainase dan sekaligus mempercepat proses konsolidasi.

(preloading dengan vertical drains)

Metode tradisional yang digunakan dalam pemasangan vertical drains ini yaitu dengan membut lobang bor pada lapisan lempung dan mengisi kembali dengan pasir yang bergradasi sesuai titik. Ukuran diameternya sekitar 200 - 600 mm dengan panjang saluran sedalam lebih dari 5 meter. Karena tujuannya untuk memperpendek panjang lintasan pengaliran, maka jarak antar drainase merupakan hal yang terpenting.

Berikut adalah berbagai tipe vertical drains dengan masing-masing metode instalasinya :

1. Sand drain, metode penginstalan dengan cara penumbukan (driven or vibratory displacement type)Pembuatan drainase pasir dengan metode ini digunakan secara luas karena biayanya relatif murah, hanya saja metode seperti ini dapat merusak struktur tanah atau bahkan mengurangi kuat geser tanah.

2. Sand drain, metode penginstalan dengan cara hollow stem continious-flight auger (low displacement)Pembuatan drainase pasir dengan metode ini memakai auger melayang menerus dengan diameter 30 - 50 cm berjarak 2-5 m. Gangguan yang dihadapi biasanya lebih ke arah rancangan drainase itu sendiri, bagaimana caranya agar drainase yang dibuat memiliki kapasitas penyaluran air yang baik. Untuk itu, gradasi pasir harus sesuai dengan keperluan.

3. Sand drain, metode penginstalan dengan cara jetted (non-displacement)Metode dengan semprotan air (jetted) akan memakan waktu yang cukup lama khususnya untuk menembus lapisan berbutir kasar. Kedalam untuk drainase tipe ini umumnya kecil dari 30 m.

4. Prefabricated sand drain, metode penginstalan dengan cara tumbukan, getaran, auger melayang, pengeboranYang membedakan penggunaan drainase pasir prefabricated yaitu penggunaan bahan kain berisi material filter, lalu dimasukkan kedalam lubang drainase yang dibuat sebelumnya apakah itu dengan pengeboran atau cara lainnya.

5. Prefabricated band shaped drains, metode penginstalan dengan driven atau vibratory closed-end mandrelIstilah lain yang biasanya digunakan untuk tipe ini yaitu prefabricated vertical drain (PVD), umumnya berbentuk pita (band-shaped) dengan sebuah inti plastik beralur yang dibungkus dengan selubung filterterbuat dari kertas atau atau susunan platik tak beranyam (non woven plastic fabric). Ukuran yang biasa digunakan yaitu lebar 10 cm dan tebal 0.4 cm. Biasanya gangguan yang disebabkan oleh penggunaan sistem drainase dengan PVD ini lebih kecil dibanding dengan sistem drainase pasir konvensional.Alat yang biasanya digunakan untuk membuat lubang drainase dengan PVD ini bernama 'stitcher', seperti yang dapat dilihat dibawah ini.

Adapun beberapa langkah pengerjaan yang dilakukan untuk perbaikan tanah menggunakan vertical drains, sebagai berikut:- Uji laboratorium terhadap sampel tanah yang diambil dari titik pengamatan di lapangan menggunakan alat sondir- Perencanaan vertical drains dengan menggunakan data yang diperoleh dari uji laboratorium, seperti Indeks pemampatan (Cc) dan Koefisien konsolidasi (Ch). Lalu ditentukan diameter drainase, jarak, dan kedalamannya.- Analisa stabilitas tanah dan settlement/penurunan

Saat ini penggunaan vertical drain juga masih terus dalam pengembangan dan pemahaman secara lebih dalam lagi.