Bab I Tanah_BAHAN KULIAH Mekanika Tanah 1

BAB I
TANAH
1.1. UMUM
Mekanika Tanah adalah bagian dari geoteknik yang merupakan salah
satu cabang dari ilmu teknik sipil, dalam bahasa Inggris mekanika tanah
berarti soil mechanics atau soil engineering dan Bodenmechanik dalam
bahasa Jerman.
Istilah mekanika tanah diberikan oleh Karl von Terzaghi pada tahun
1925
melalui
bukunya
"Erdbaumechanik
auf
bodenphysikalicher
Grundlage" (Mekanika Tanah berdasar pada Sifat-Sifat Dasar Fisik Tanah),
yang membahas prinsip-prinsip dasar dari ilmu mekanika tanah modern, dan
menjadi dasar studi-studi lanjutan ilmu ini, sehingga Terzaghi disebut
sebagai "Bapak Mekanika Tanah".
Dalam pandangan teknik sipil, tanah adalah himpunan mineral , bahan
organic, dan endapan-endapan yang relative lepas (loose), yang terletak di
atas batuan dasar (bedrock) butiran yang relative lemah disebut karbonat, zat
organic, atau oksida yang mengendap diantara partikel-partikel. Proses
pelapukan batuan atau proses geologi ataupun yang lainnya yang terjadi
didekat permukaan bumi membentuk tanah dapat juga bersifat fisik maupun
kimia.
Umumnya pelaukan terjadi akibat proses kimia yang dapat
dipengarungi oleh oksigen, karbondioksida, dan air (terutama yang
mengandung asam dan alkali). Jika hasil pelapukan masih berada di tempat
asalnya maka tanah ini disebut tanah residual (residual soil) dan apabila
tanah berpindah tempat nya disebut tanah terangkut (transported soil).
Istilah pasir, lempung, lanau
atau lumpur digunakan untuk
menggambarkan sifat tanah yang khusus, sebagai contoh lempung adalah
jenis tanah yang bersifat kohesif dan plastis,sedangkan pasir digambarkan
sebagai tanah yang tidak kohesif(granular).Ukuran partikel dapat bervariasi
dari lebih besar 100 mm sampai dengan lebih kecil dari 0,001mm.
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
1
1.2. BERAT VOLUME TANAH DAN HUBUNGAN-HUBUNGANNYA
Dalam tanah yang jenuh juga terdapat dua bagian yaitu bagian
padat atau butiran dan air pori. Dalam keadaan tidak jenuh, tanah terdiri dari
tiga bagian yaitu bagian dalam (butiran), pori-pori udara dan air pori.
Gambar.Diagram fase tanah.
Dari memperhatikan gambar tersebut dapat dibentuk persamaan :
1.
W = Ws + Ww
2.
V = Vs + Vw + Va
3.
Vv = Vw + Va
Dengan:
Ws
=
Berat butiran padat
Ww
=
Berat air
Vs
=
Volume butiran padat
Vw
=
Volume air
Va
=
Volume udara
Vv
=
Volume rongga
V
=
Volume total
Hubungan–hubungan volume yang serimg digunakan dalam mekanika
tanah adalah kadar air (w),angka pori (e), porositas (n) dan derajat kejenuhan
(s).
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
2
Kadar air (w),adalah perbandingan anatara berat air (Ww), dengan
berat butiran padat (Ws)dalam tanah tersebut, nyatakan dalam persen
w (%) =
Ww
 100
Ws
Porositas (n), adalah perbandingan antara volume rongga (Vv) dengan
volume total (V).Nilai n dapat dinyatakan dalam persen atau decimal
n=
Vv
V
Angka pori (e), didefinisikan sebagai perbandingan antara volume
rongga (Vv)dengan volume butiran (Vs), Biasanya juga dinyatakan denan
desimal
e=
Vv
Vs
Berat vuolume lembab atau basah, adalah perbandingan antara berat
butiran tanah termasuk air dan udara (W), dengan volume total tanah (V).
b

W
V
Dengan W = Ww + Ws + Wa (Wa = 0).bila ruang udara terisi oleh air
seluruhnya (Va = 0 ),maka tanah menjadi jenuh
d

Ws
V
Berat volume butiran padat , adalah perbandingan anatara berat butiran
padat (Ws) dengan volume butiran padat (Vs).
s

Ws
Vs
Berat spesifik atau berat jenis (specific grafity)tanah (Gs), adalah
perbandingan anatara berat volume butiran padat , dengan berat volume air ,
pada temperature 4 C
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
3
Gs
=
s
w
Gs tidak berdimensi. Berat jenis dari berbagai jenis tanah berkisara
antara 2,65 sampai 2,75. Nilai berat jenis Gs = 2,67 biasanya digunakan
untuk tanah –tanah tidak berkohesif . sedang untuk tanah kohesif tak organic
berkisar antara 2,68 sampai 2,72.
Hubungan antara angka pori dengan porositas
e=
n
1 n
atau
n=
e
1 e
1.3. MINERAL LEMPUNG
1.3.1
Susunan Tanah Lempung
Pelapukan tanah akibat reaksi kimia menghasilkan susunan
kelompok partikel berukuran koloid dengan diameter butiran lebih kecil dari
0,002 mm.yang disebut mineral lempung.
Kebanyakan tanah lempung terdiri dari silica tetrahydra dan
almunium oktahidra. Silika dan alumunium secara parsial dapat digantikan
oleh elemen yang lain dalam kesatuannya, keadaan ini dikenal sebagai
substitusi isomorf.
Kaolinite merupakan mineral dari kelompok kaolin, terdiri dari
susnan satu lembar silica tetrahedra dengan satu lembar alumunium
oktahedra dengan satuan susunan setebal 7,2 A. Halloysite hampir sama
dengan kaolinite, tetapi kesatuan yang berurutan lebih acak ikatannya dan
dapat dipisahkan oleh lapisan tunggal molekul air.
Montmorillonite , disebut juga smectite, adalah mineral yanag
dibentuk oleh dua lembar silica dan satu lembar alumunium (gibbsite).
Tanah-tanah yang mengandung montmorillonite sangat mudah mengembang
oleh tambahan kadar air. Tekanan pengembangannya yang dihasilkan dapat
merusak struktur ringan dan perkerasan jalan raya.
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
4
Illite adalah bentuk mineral lempung yang teriri dari mineral-mineral
kelompok illite. Bentuk susunan dasarnya terdiri dari sebuah lembaran
alumunium oktahedra yang terikat diantara dua lembaran silica tetrahdra.
1.3.2 Pengaruh Air pada Tanah Lempung
Air biasanya tidak banyak mempengaruhi kelakuan tanah non
kohesif (granular), Sebagai contoh: kuat geser tanah pasir mendekati sama
pada kondisi kering maupun jenuh air. Tetapi, jika air berada pada lapisan
pasir yang tidak padat, beban dinamis seperti gempa bumi dan getaran lainya
sangat mempengaruhi kuat gesernya.
Terdapat 3 mekanisme yang menyababkan molekul air dipolar dapat
ditarik oleh permukaan partikel lempung secara elektrik :
1. Tarikan antara permukaan bermuatan negative dari partikel lempung
dengan ujung positif dari polar.
2. Tarikan antara kation-kation dalam lapisan ganda dengan muatan
negative dari ujung polar. Kation-kation ini tertarik oleh permukaan
partikel lempung yang bermuatan negative.
3. Andil atom-atom hydrogen dalam molekul air, yaitu dengan ikatan
hydrogen antara oksigen dalam partikel lempung dan atom oksigen
dalam molekul-molekul air.
Air yang tertarik secara elektris, yang berada disekitar partikel
lempung, disebut air lapisan ganda (Double-layer water). Sifat plastis tanah
lempung adalah akibat ekstensi dari lapisan ganda. Air lapisan ganda pada
bagian paling dalam yang sangat kuat melekat pada partikel lempung ,
disebut air serapan (absorbed water).Partikel tanah yang disusun oleh
mineral lempung akan sangat dipengaruhi oleh besarnya jaringan muatan
negative pada mineral, tipe, konsentrasi, dan distribusi kation-kation yang
berfungsi untuk mengimbangkan muatannya.
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
5
1.4. SUSUNAN TANAH GRANULER
Butiran tanah ang dapat mengendap pada suatu larutan suspensi secara
individu, tak bergantung pada pada butiran yang lain akan berupa susunan
tunggal. Sebagai contoh tanah pasir, kerkil, atau beberapa campuran pasir
dan lanau. Kerafatan relative sangat berpengaruh pada sifat-sifat teknis tanah
granuler.
1.5. ANALISIS UKURAN BUTIRAN
Sifat-sifat tanah sangat bergantung pada ukuran butiannya. Besarnya
butiran dijadikan dasar untuk pemberian nama dan klasifikasi tanah. Oleh
karma itu, analisis butiran ini merupakan pengujian yang sangat sering
dilakukan.
Analisis ukuran butiran tanah adalah adalah penentuan persentase berat
butiran pada suatu unit saringan, dengan ukuran diameter lubang tertentu.
a. Tanah Berbutir Kasar
b. Tanah berbutir Halus
Distribusi ukuran butiran tanah berbutir halus atau bagian berbutir
kasar dari tanah,dapat ditentukan denagan cara sedimentasi. Metode ini
didasarkan
pada
hokum
Stokes,yang
berkenaan
dengan
kecepatan
mengendap butiran pada larutan suspensi.
Menurut Stokes, kecepatan mengendap butiran dapat ditentukan dari
persamaan :
v=
 s  w
 D2
1 s
Dengan
Dengan
: :
v
w
s

D
=
Kecepatan, sama dengan jarak/waktu ( I/t)
=
Berat volume Air (g/cm )
=
Berat volume butiran padat (g/cm )
=
=
Kekentalan air absolute (g.det/cm )
Diameter butiran tanah (mm)
3
3
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
2
6
1.6. BATAS CAIR (LIQUID LIMIT)
Batas cair (LL),didefiisikan sebagai kadar air tanah pada batas antara
keadan cair dan keadan plastis, yaitu baas atas dari daerah plastis , Batas cair
biasanya ditentukan dari uji Casagrand test (1948).
1.6.1. Batas Plastis (Plastic Limit)
Batas plastis (PL), didefinisikan sebagai kadar air pada kedudukan
antara daerah plastis dan semi padat, yaitu persentase kadar air dimana tanah
dengan diameter selinder 3,2 mm mulai retak-retak ketika digulung.
1.6.2. Batas Susut (Shringkage Limit)
Batas susut (SL), didefinisikan sebagai kadar air pada kedudukan
antara daerah semi padat dan padat, yaitu persentase kadar airdimana
pengurangan kadar air selanjutnya tidak mengakibatkan perubahan volume
tanah. Percobaan batas susut dilaksanakan dalam laboratorium dengan
cawan porselin diameter 44,4 mm dengan tinggi 12,7 mm. Bagian dalam
cawan dilapisi dengan pelumas dan diisi dengan tanah jenuh sempurna .
Kemudian
dikeringkan
dalam
oven,
volume
ditentukan
dengan
mencelupkannya dengan air raksa .
Batas susut dinyatakan dalam persaman :
SL = {
( M 1  M 2) (V 1  V 2).  W

}  100%
M2
M2
Dengan :
m1
=
Berat tanah basah dalam cawan percobaan (g)
m2
=
Bert tanah kering dalam oven (g)
v1
=
Volume tanah basah dalam cawan (cm 3 )
v2
=
Volume tanah kering dalmam oven (cm 3 )
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
7
w
Berat volume air (g/cm 3 )
=
Hubungan variasi kadar dan volume total tanah pada kedudukan
batas cair, batas plastis dan batas susut. Batas-batas atterberg sanagat
berguna untuk identifikasi dan klasifikasi tanah. Batas-batas ini sering
digunakan secara langsung dalam spesifikasi, guna mengontrol tanah yang
akan digunakan untuk membangun stuktur urugan tanah.
1.6.3
Indeks Plastisitas (Plasticity Indeks)
Indeks plastisitas (PI),adalah selisih batas cair dan batas plastis.
PI = LL – PL
Indeks plastisitas (PI) merupakan interval kadar air dimana tanah
masih bersifat plastis. Karena itu, indeks plastisitas menunjukkan sifat
keplastisan tanah. Jika tanah mempunyai (PI) tinggi, maka tanah
mengandung banyak butiran lempung dan jika tanah mepunyai (PI), rendah
,seperti lanau , sedikit penurangan kadar air berakibat tanah menjadi kering.
1.6.4 Indeks Cair (Liquidity Indeks)
Kadar air tanah asli relative pada kedudukan plastis dan cair dapat
didefinisikan oleh indeks cair (liquidity indeks),LI, dan dinyatakan menurut
persamaan :
LI
=
wN  PL wN  PL

LL  PL
PI
Dengan :
Wn
=
Kadar air dilapangan
Jika Wn = LL, maka LI = 1,sedangkam jika Wn = PL ,maka LI = 0.
Jadi untuk lapisan tanah asli yang didalam kedudukan plastis . nilai LL >Wn
> PL.Jika kadar air bertambah dari PL menuju LL ,maka LI bertambah dari
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
8
0 sampai 1. lapisan tanah asli dengan wN > LI ,akan mempunyai LL > 1.
Tapi jika wN kurang dari PL ,LI akan negative.
1.7. AKTIVITAS
Ketebalan air mengelilingi butiran tanah lempung tergantung dari
macam mineralnya. Jadi, dapat diharapkan plastisitas tanah lempung
tergantung dari :
1. Sifat mineral lempung yang ada paeda butiran
2. Jumlah mineralnya
Bila ukuran butiran semakin kecil, maka luas permukaan butiran
semakin besar. Pada konsep Atterberg,jumlah air yang tertarik oleh
permukaan partikel tanah akan bergantung pada jumlah partikel lempung
yang
ada
didalam
tanah.
Berdasarkan
alasan
ini
,
Skempton
(1953)mendeifinisikan aktivitas sebagai perbandingan antara indeks
plastisitas dengan persen fraksi ukuran lempung (yaitu persen dari berat
butiran yang lebih kecil dari 0,002 mm atau 2  m).
1.8. KLASIFIKASI TANAH
Hasil penyelidikan sifat-sifat ini kemudian dapat digunakan untuk
mengevaluasi masalah-masalh tertentu seperti :
1. Penentuan
penurunan
bangunan,
yaitu
dengan
menentukan
kompresibilitas tanah. Drai sini , selanjutnya digunakan dalam
persamaan penurunan berdasarkan pada teori konsolidasi, misalnya teori
terzaqhi
2. Penentuan kecepatan air yang mengalir lewat benda uji guna menghitung
koefisien permeabilitas, dari sini kemudian dihubungkan dengan hokum
DarCy dan jarring arus (flow net),untuk menentukan debit aliran yang
lewat pada struktur tanah.
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
9
3. Untuk mengevaluasi stabiitas tanah yang miring , yaitu dengan
menentukan kuat gaser tanah, dari sini kemudian disubtitusikan dalam
rumus statiska (Stabilitas lereng).
Klasifikasi tanah sangat membantu perancang dalam memberikan
pengarahan melalui cara empiris yang tersedia dari hasil pengalaman yang
telah lalu. Tetapi, perancang harus berhati-hati dalam penerapannya, karena
penyesuaian stabilitas , kompresi (penurunan), aliran air yang didasarkan
pada klasifikasi tanah sering menimbulkan kesalahan.
Umumnya klasifikasi tanah didasarkan atas ukuran partikel yang
diperoleh dari analisis saringan dan uji sedimentasi kemudian juga
plastisitas. Terdapat dua system klasifikasi yang sering digunakan, yaitu
Unifield Soil Clasification Sistem dan AASHTO (American Assoction Of
State Highway And Transfortation Officials). Sistem-sistem ini mnggunakan
sifat-sifat indeks tanah yang sederhana seperti distribusi ukuran butiran ,
batas air cair dan indeks plastisitas.
1.8.1
Sistem Klasifikasi Unifield
Pada system unifield, tanah diklasifikasikan kedalam tanah berbutir
kasar (kerikil dan pasir), jika kurang dari 50 % lolos saringan nomor 200,
dan sebagai tanah berbutir halus (lanau/lempung), jika lebih dari 50% lolos
saringan nomor 200.
Selanjutnya , tanah diklasifikasikan dalam sejumlah kelompok atau
sub kelompok. Simbol-simbol yang dapat digunakan :
G
=
Kerikil (gravel)
S
=
Pasir (Sand)
C
=
Lempung (Clay)
M
=
Lanau (Silt)
O
=
Lanau atau lempung organik (Organik Silt Or Clay)
Pt
=
Tanah gambut dan tanah organic tinggi (Peat And Highly
Organiks Soil)
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
10
W
=
Gradasi baik (Well-Graded)
P
=
Gradasi buruk (Poorly-Graded)
H
=
Plastisitas tinggi (High-Plasticity)
L
=
Plastisitas rendah (Low-Plastisitas)
1.8.2
Sistem Klasifikasi AASHTO
Sistem klasifkasi AASHTO (American Association Of State
Highway And Transportation) Berguna untuk menentukan kwalitas tanah
untuk perencanaan timbunan jalan, Subbase dan Subgrade.
Sistem klasifikasi AASTHO membagi tanah kedalam 8 kelompok ,
A-1 sampai A-8 termasuk sub-sub kelompok. Tanah-tanah dalam tiap
kelompoknya dievaluasi terhadap indeks kelompoknya yang dihitung
dengan rumus-rumus empiris. Pengujian yang digunakan adalah analisis
saringan batas-batas Atterberg.
Indeks
kelompok
(Group
indeks)(GI)
Digunakan
untuk
mengevaluasi lebih lanjut tanah-tanah dalam kelompoknya. Indeks
kelompok dihitung dengan persamaan :
GI = (F-35)[0,2 + 0,005)(LL-40)]+0,01 (F-15)(PI-10)
Dengan:
GI
=
Indeks kelompok (group indeks)
F
=
Persen butiran lolos saringan no.200(0,75 mm)
LL
=
Batas cair
Pi
=
Indeks plastisitas
Prodi Teknik Sipil
Sekolah Tinggi Teknologi Unggulan Swarnadwipa
Kabupaten Kuantan Singingi - Riau
11