BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Venkatramaiah

BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Venkatramaiah (1993) dalam Wibowo (2003) perbaikan tanah dalam pengertian
luas menunjukkan suatu prosedur atau cara yang digunakan untuk mengubah satu
atau beberapa sifat tanah agar sifat-sifat teknik tanah tersebut menjadi baik.
Tujuan utama dari perbaikan tanah adalah meningkatkan kekuatan tanah itu
sendiri. Suatu upaya dalam memperbaiki kondisi tanah yang kurang baik terutama
pada tanah lempung dengan menggunakan metode elektroosmosis. Metode
elektroosmosis merupakan metode untuk mengurangi kadar air pada tanah
lempung dengan cara mengaliri arus searah atau direct current (DC) secara
langsung dimana arus listrik akan mengikat air dan membawanya bergerak
mengikuti arus aliran listrik dari anoda menuju katoda.
Siong dan Agustino (2004), untuk memperbaiki kondisi tanah salah satunya dapat
dengan mempercepat proses konsolidasi. Proses ini dilakukan menggunakan
elektroosmosis, dengan memberikan suatu beban merata kepada tanah kemudian
ditambahkan dengan memasukkan elektroda kedalam tanah tersebut dan
mengalirkan arus tegangan DC yang lemah ke elektroda tersebut.
Menurut Septriawan (2012), menjelaskan metode elektroosmosis merupakan salah
satu metode yang potensial untuk mengurangi kadar air yang ada pada tanah
lempung, sehingga dapat mengurangi besarnya penurunan yang terjadi apabila
dilakukan pembebanan. Penggunaan metode ini dengan menempatkan katoda dan
anoda di dalam tanah dengan jarak tertentu. Suatu medan listrik dengan arus
listrik searah dialirkan diantara anoda dan katoda sehingga air akan mengalir dari
anoda ke katoda.
Penelitian-penelitian
perbaikan
tanah
dengan
menggunakan
metode
elektroosmosis sudah banyak dilakukan sebelumnya. Majid (2013), menjelaskan
semakin tinggi beda potensial yang diberikan pada uji model elektroosmosis
kondisi tanpa preloading dan dengan preloading semakin besar dan semakin cepat
penurunan tekanan air pori. Pada penelitian ini penurunan terbesar terjadi pada
beda potensial 12 volt (V). Penurunan tekanan air pori terbesar pada uji
1
2
elektroosmosis baik kondisi tanpa preloading maupun dengan preloading terjadi
di posisi anoda. Penurunan tekanan air pori pada uji elektroosmosis kondisi
preloading lebih besar dan cepat dari pada uji elektroosmosis kondisi tanpa
preloading.
Atmaja (2013), penggunaan elektroosmosis pada tanah lempung mampu
menaikkan kohesi (c) dan sudut geser dalam (φ) tanah lempung. Kohesi
mengalami kenaikan sebesar 9,52 - 118,75% dan sudut geser dalam naik sebesar
4,98 - 8,85% setelah pemberian beda potensial 3 volt. Semakin besar variasi beda
potensial yang diberikan, kohesi dan sudut geser dalam juga semakin besar.
Septriawan (2012), hasil penelitian ini adalah kekakuan tanah lebih meningkat
jika menggunakan medan listrik dilihat dari besarnya perubahan nilai indeks
pemampatan. Proses pemampatan yang terjadi juga memberikan hasil yang lebih
baik dimana dengan waktu yang sama pada saat tekanan diberikan regangan atau
penurunan yang terjadi lebih besar jika dengan menggunakan elektroosmosis. Jika
regangan atau penurunan yang terjadi sama waktu yang dibutuhkan lebih cepat
jika dibandingkan hanya dibebani secara konsolidasi mekanik biasa.
Syarifudin (2013), pengujian konsolidasi tanah asli diperoleh indeks pemampatan
(Cc) laboratorium sebesar 0,322 dan Cc lapangan sebesar 0,365. Penurunan ratarata nilai Cc laboratorium sebesar 16,07% dan Cc lapangan sebesar 19,87% dari
hasil penambahan abu ampas tebu (AAT) paling kecil pada variasi 20%. Koefisien
konsilidasi (Cv) tanah asli sebesar 0,0224 cm2/dt. Kenaikan rata-rata nilai Cv
sebesar 9,79% dari hasil penambahan AAT paling besar ada variasi 20%.
Penambahan AAT memperkecil penurunan konsolidasi (Sc) dari 0,128 m menjadi
sebesar 0,102 m dari penurunan paling kecil pada variasi 20%. Waktu penurunan
(t) akan semakin cepat seiring penambahan AAT dari 70,104 hari menjadi 63,214
hari dari waktu paling cepat pada variasi 20%.
Penelitian ini melanjutkan dari penelitian Majid (2013) dan Atmaja (2013), pada
penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh elektroosmosis pada tanah
lempung ditinjau dari parameter konsolidasi tanah yang dilakukan di laboratorium
3
dengan skala kecil untuk mendapatkan nilai indeks pemampatan (Cc), koefisien
konsolidasi (Cv), penurunan (Sc) dan lama penurunan (t).
2.2 Dasar Teori
2.2.1 Tanah Lempung
Mineral lempung memiliki partikel berukuran koloid dengan diameter lebih kecil
dari 0,002 mm (Hardiyatmo, 2006). Partikel-partikel ini merupakan sumber utama
dari kohesi di dalam tanah yang kohesif. Partikel lempung berbentuk seperti
lembaran yang mempunyai permukaan khusus sehingga, lempung mempunyai
sifat sangat dipengaruhi oleh gaya-gaya permukaan. Terdapat banyak mineral
yang dapat diklasifikasikan sebagai mineral lempung.
Mineral lempung merupakan suatu golongan butir tertentu yang menghasilkan
sifat khusus pada tanah yang mengandung mineral lempung. Jenis mineral
lempung yang paling terkenal adalah kaolinite, illite, dan montmorillonite.
(Wesley, 2012).
Tanah lempung merupakan tanah yang berukuran mikroskopis sampai dengan sub
mikroskopis yang berasal dari pelapukan unsur-unsur kimiawi penyusunan
batuan, tanah lempung sangat keras dalam keadaan kering dan bersifat plastis
pada kadar air sedang. Kadar air lebih tinggi pada lempung, bersifat lengket
(kohesif) dan sangat lunak (Das, 1995).
Tanah yang terdiri dari lempung, memiliki penurunan yang besar. Oleh sebab itu,
lempung disebut juga dengan high compressibility. Penurunan pada tanah
lempung biasanya memakan waktu yang cukup lama, karena daya rembes air
(permeabilitas) sangat rendah.
Kondisi jenuh tanah lempung akan mengembang dan memiliki kekuatan yang
kecil, sedangkan pada kondisi kering tanah lempung akan menyusut. Perubahan
kandungan kadar air dan volume kembang susut yang besar pada tanah lempung
mengakibatkan kondisi tanah lempung menjadi tidak stabil.
4
2.2.2 Penurunan Konsolidasi
Konsolidasi adalah proses berkurangnya volume atau berkurangnya rongga pori
dari tanah jenuh berpermeabilitas rendah akibat pembebanan. Proses ini terjadi
jika tanah jenuh berpermeabilitas rendah dibebani, maka tekanan air pori tanah
bertambah, akibatnya air mengalir kelapisan tanah dengan tekanan air pori yang
rendah yang diikuti dengan penurunan tanah. Karena permeabilitasnya rendah
akibat pembebanan maka proses ini membutuhkan waktu.
Permukaan tanah yang diberi beban diatasnya dapat mengakibatkan lapisan tanah
dibawahnya mengalami pemampatan. Pemampatan disebabkan adanya deformasi
partikel tanah, keluarnya air atau udara dalam pori. Proses konsolidasi dilapangan
dapat diamati dengan pemasangan piezometer. Besarnya penurunan dapat diukur
dari titik referensi yang ditetapkan.
Untuk menghitung besarnya penurunan akibat konsolidasi tanah dapat digunakan
rumus :
(2.1)
dengan :
Sc = besar penurunan lapisan tanah akibat konsolidasi
Cc = indeks pemampatan (compression index)
H = tebal lapisan tanah
e0 = angka pori awal
Po = tekanan efektif rata-rata
Δp = besar penambahan tekanan
1.
Indeks pemampatan (Cc)
5
Indeks pemampatan atau indeks kompresi (Cc) adalah kemiringan dari bagian
garis lurus grafik e – log p’ (Hardiyatmo, 2007).
Gambar 2.1 Hubungan angka pori (e) dan skala log (p’)
Untuk persamaan Gambar 2.1 dua titik pada bagian lurus nilai Cc dapat dihitung
dengan persamaan :
(2.2)
2. Koefisien konsolidasi (Cv)
Koefisien konsolidasi (Cv) merupakan lama waktu atau kecepatan konsolidasi
hingga selesai. Memperoleh harga Cv di laboratorium digunakan metode akar
waktu yang diperkenalkan oleh Taylor (1948) dalam Hardiyatmo (2003).
Metode akar waktu yang digunakan untuk menentukan Cv dengan cara
menggambarkan hasil uji konsolidasi pada grafik hubungan akar waktu
terhadap penurunan.
6
Gambar 2.2 Metode akar waktu (Taylor, 1942)
Metode akar waktu digunakan untuk menentukan Cv dengan cara menggambarkan
hasil uji konsolidasi pada grafik hubungan akar waktu terhadap penurunan
(Gambar 2.2). Kurva teoritis yang terbentuk, biasanya linier sampai dengan kirakira 60% konsolidasi.
Koefisien konsolidasi Cv dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :
(2.3)
dengan :
Tv = Faktor waktu untuk U = 90%
Ht = Panjang aliran rata-rata yang harus ditempuh selama proses
t
= waktu (t90)
Variasi kelebihan tekanan air pori dalam lapisan lempung, dapat didekati dengan
menganggap distribusi tekanan air pori awal konstan, linier atau lengkung. Nilainilai hubungan U dan Tv dalam kondisi tekanan air pori awal dianggap sama besar
diseluruh lapisannya ditunjukkan dalam Tabel 2.1 Kasus 1, variasi tekanan pori
awal lain ditunjukkan pada Kasus 2 dan 3.
7
Tabel 2.1 Hubungan derajat konsolidasi (U) dengan faktor waktu (Tv)
Cassagrande (1940) dan Taylor (1948) mengusulkan persamaan hubungan U dan
Tv yang sangat berguna sebagai berikut :
a. Untuk U < 60% ; Tv = (U2
(2.4)
b. Untuk U > 60% ; Tv = 1,781 – 0,933 log (100 – 90) = 0,84
atau Tv = 1,781 – 0,933 log (100-U %)
(2.5)
(2.6)
Dalam persamaan (2.5), U dalam desimal dan dalam persamaan (2.6), U dalam
persen (diambil angkanya).
2.2.3 Pra-pembebanan (Preloading)
Hardiyatmo (2007), menjelaskan maksud dari pra-pembebanan ini adalah untuk
meniadakan atau mereduksi penurunan konsolidasi primer. Caranya dengan
membebani tanah lebih dulu sebelum pelaksanaan bangunan. Setelah penurunan
konsolidasi primer selesai atau sangat kecil, baru beban tanah dibongkar dan
struktur dibangun di atas tanah tersebut.
8
Perbaikan tanah dengan menggunakan metode preloading sudah umum
digunakan, metode ini dipakai pada tanah-tanah yang mengalami penurunan yang
besar apabila diberi beban. Uji preloding dilakukan sebelum bangunan konstruksi
didirikan.
Tujuan dari preloading antara lain :
1.
Pemampatan akan meningkatkan daya dukung tanah dasar dan tahanan geser
(shear strenght) dari tanah yang semula lunak dan mempunyai daya dukung
rendah menjadi lebih kuat dan stabil.
2.
Mempercepat penurunan dan meniadakan sattlement pada konstruksi tanah
akibat beban dari bangunan tersebut.
Ada beberapa macam jenis preloading :
1.
Dewatering, beban preloading didapat dengan cara menurunkan muka air
tanah.
2.
Surchage, dilakukan dengan cara pemberian beban sementara diatas
permukaan tanah dasar tempat konstruksi akan dibangun. Bentuk beban
sementara berupa timbunan/tanah urug, blok beton dan water tank.
3.
Vacumming, pertama kali diperkenal di Swedia oleh Kjellman tahun 1942.
Mekanisme untuk pembebanan vakum yaitu memberikan tekanan negatif ke
dalam lapisan bawah tanah melalui drainase vertikal untuk mempercepat
proses konsolidasi. Metode ini memberikan efek terhadap berubahnya
properti tanah, yaitu koefisien permebilitas. Metode ini k tanah akan
meningkat dan menyebabkan konsolidasi semakin cepat.
Metode yang paling sederhana dengan cara memberikan timbunan di atas
permukaan tanah. Material tanah timbunan diletakkan di atas permukaan tanah
dasar yang kemudian diambil kembali setelah terjadi penurunan yang diharapkan
(Stamatopoulos dan Kotzias, 1985).
Ahli geoteknik memanfaatkan preloading guna untuk mengurangi penurunan pada
bangunan konstruksi seperti pada jalan raya, lapangan udara dan abutmen atau
9
pilar jembatan, dan juga memperbaiki kondisi tanah pondasi dibawah bangunan
atau gedung-gedung besar lainnya.
2.2.4 Fenomena Elektrokinetik
Fenomena elektrokinetik atau elektrokinetic phenomena adalah sebuah proses
pemisahan dan akumulasi muatan listrik sebagai akibat dari pergerakan fluida
yang bersifat elektrolit pada medium berpori.
Fenomena elektrokinetik merupakan kopel antara aliran listrik dan aliran fluida
akibat adanya beda potensial listrik yang bekerja. Fenomena elektrokinetik dibagi
empat macam (Mitchell, 2005), yaitu:
1. Elektroforesis
Elektroforesis adalah padatan bergerak dalam fasa cair karena terdapat medan
listrik yang diterapkan pada sistem tersebut. Akibat medan listrik ini maka
partikel akan bergerak dan kecepatan geraknya mencapai maksimum saat gaya
listrik sebanding dengan gaya friksinya.
2. Sedimentasi potensial
Elektromigrasi merupakan perpindahan suatu ion bermuatan menuju ke arah
elektroda yang memiliki muatan yang berlawanan dengannya. Partikel koloid
dipengaruhi oleh gaya gravitasi, baik secara alami maupun secara sentrifugal.
Sedimentasi suatu partikel seringkali akan menaikkan medan listrik. Hal ini
terjadi karena saat partikel bergerak, sebagian awan ioniknya akan tertinggal.
3. Aliran potensial
Aliran potensial adalah pada saat air yang mengalir melalui tanah karena
perbedaan hidrolik muatan lapisan ganda bergerak searah aliran. Hasil yang
diperoleh pada saat beda potensial yang berlawanan arah dengan aliran
hidrolik disebut streaming potensial. Fenomena aliran potensial dianggap
sebagai timbal balik dari fenomena elektroosmosis.
10
4. Elektroosmosis
Elektroosmosis adalah perpindahan air atau senyawa polar lainnya melalui
suatu membran atau medium yang porous di dalam medan listrik (Siong,
2004). Proses ini pertama kali digunakan oleh Cassagrande pada tahun 1937
untuk sebuah proyek stabilisasi di Jerman.
Metode elektroosmosis yaitu salah satu metode alternatif untuk mengurangi
kandungan air pada tanah lunak dengan tujuan untuk perbaikan tanah dengan
bantuan aliran listrik dengan menerapkan elektroda positif (anoda) dan elektroda
negatif (katoda), sehingga dapat mengurangi besarnya penurunan akibat
pembebanan. Metode ini cocok digunakan pada tanah dengan koefisien
permeabilitas yang sangat kecil, seperti tanah lempung.
Metode elektroosmosis yaitu menanam seperangkat elektroda ke dalam tanah
kemudian mengalirkan arus searah (DC) di antara anoda dan katoda (Haussman,
1990).
Arus listrik ini akan mengikat air dan membawanya bergerak mengikuti arah
aliran listrik tersebut. Dua elektroda jika dipasang pada air jenuh dan dialirkan
listrik, maka air yang terkandung di dalam tanah akan bergerak dari elektroda
positif menuju elektroda negatif (Wibowo, 2003).
2.2.5 Aplikasi Metode Elektroosmosis
1. Stabilisasi lereng atau pekerjaan galian pada tanah lempung lunak
Teknik elektroosmosis dapat meningkatkan stabilitas lereng atau pekerjaan galian
dengan cara memperkuat bagian permukaan tanah yang biasanya kritis terhadap
bahaya longsor. Perkuatan itu sendiri dicapai melalui tiga proses sekaligus :
a. Drainase air dari dalam massa tanah, yang berarti meningkatkan kuat
gesernya.
b. Injeksi bahan anoda (atau material grouting lain yang sengaja dipasang
pada anoda) ke dalam tanah yang memperbaiki sifat-sifat geoteknis massa
tanah.
11
c. Pemasangan batang logam anoda dan pipa katoda sekaligus telah berfungsi
sebagai penuangan tanah (earth reinforcement atau soil nailing).
Penelitian Casagrande dkk. telah melaporkan dua penerapan yang berhasil dari
metode elektroosmosis untuk mestabilisasi tanah lanau sensitif, sehingga
memungkinkan penggalian tanah dengan kemiringan lereng yang lebih curam
daripada yang diijinkan jika tidak dilakukan treatment, yaitu 2,5 : 1 (biasanya 10 :
1) pada satu kasus dan 2,5 : 1 (biasanya 5 : 1) pada kasus yang lain. Proyek
dilaksanakan di British Columbia, Kanada. Pada proyek Canadian Pacific
Railroad, spesi antara anoda dan katoda diambil sebesar 3 m, pada penggalian
Dam Revelstoke jarak tersebut adalah 4,6 m. Voltase yang digunakan adalah
sebesar masing-masing 150 dan 160 volt. Pada Dam Revelstoke, elemen anoda
dan katoda ditanamkan penuh sepanjang lapisan lanau, setebal anatara 12 sampai
61 m. Kedalaman treatment sampai sebesar itu mungkin tidak dapat diperkirakan
sebelumnya.
2. Elektro-preloading atau electro-consolidation
Penelitian Mitchell mencatat bahwa teknik elektroosmosis juga berpotensi untuk
digunakan sebagai metode alternatif mempercepat laju konsolidasi, seperti pada
teknik
prapembebanan
(preloading)
konvensional.
Prinsipnya
teknik
prapembebanan bertumpu pada upaya mempercepat laju keluarnya air tanah dari
lapisan tanah jenuh sedemikian sehingga pada saat bangunan di atasnya selesai
dibangun telah dicapai penurunan konsolidasi yang cukup besar, dengan demikian
bangunan tersebut diharapkan tidak akan mengalami masalah akibat penurunan
konsolidasi. Pra-pembebanan biasanya dilakukan secara mekanis (menempatkan
beban di atas permukaan tanah) secara hidrolis (memasang kolom pasir/sand
drain atau membran drainase/geosynthetic wick drain) atau gabungan dari
keduanya. Elektroosmosis merupakan alternatif tambahan terhadap teknik-teknik
tersebut, dengan efek drainase vertikal yang mirip dengan teknik prapembebanan
mekanis.
3. Penanggulangan masalah penurunan wilayah (land subsidence)
12
Banyak kota besar yang menghadapi masalah penurunan wilayah, sebagai contoh
akibat dari penggunaan air tanah dalam jumlah yang tidak seimbang dengan
penyerapan kembali ke dalam permukaan tanah, atau sebagai akibat dari
reklamasi pantai. Metode elektroosmosis dapat dipertimbangkan sebagai alternatif
untuk mengurangi kerugian yang diakibatkan oleh gejala tersebut dengan cara :
a.
Menginjeksikan material grouting untuk mengurangi tingkat konsolidasi
dan menurunkan rasio pori.
b. Menginjeksikan kembali air (recharging) dengan laju yang lebih cepat
daripada perembesan konvensional yang hanya mengandalkan tarikan
gravitasi.