bidang studi geoteknik departemen teknik sipil fakultas - USU-IR

PERENCANAAN STABILITAS LERENG DENGAN
SHEET PILE DAN PERKUATAN GEOGRID
MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA
TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Melengkapi Tugas-tugas dan Memenuhi Syarat Untuk Menempuh
Ujian Sarjana Teknik Sipil
Disusun oleh :
Erin Anastasia Sebayang
09 0404 085
BIDANG STUDI GEOTEKNIK
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
i
ABSTRAK
Kelongsoran pada lereng yang disebabkan karena menurunnya kekuatan
geser tanah sehingga tidak dapat memikul beban kerja yang terjadi dapat
diperbaiki dengan menggunakan dinding penahan tanah (sheet pile) atau dengan
perkuatan geogrid. Pada kasus jalan Kota Pematang Siantar dengan Parapat di
Km. 171 badan jalan mengalami kelongsoran sehingga diperlukan penanganan
untuk kasus ini.
Tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh counterweight di
belakang sheet pile, pengaruh kedalaman penanaman sheet pile dan pengaruh
letak geogrid terhadap stabilitas lereng menggunakan Metode Elemen Hingga
dengan Program Plaxis.
Dari hasil perhitungan diperoleh lereng tanpa counterweight memiliki
faktor keamanan sebesar 1,16 sedangkan lereng dengan counterweight memiliki
faktor keamanan sebesar 2,29. Maka lereng dengan counterweight memiliki faktor
keamanan yang lebih besar. Lereng dengan penambahan panjang sheet pile
memiliki faktor keamanan sebesar 2,41 sedangkan lereng dengan pengurangan
panjang sheet pile memiliki faktor keamanan sebesar 2,23. Maka lereng dengan
penambahan panjang sheet pile memiliki faktor keamanan yang lebih besar.
Lereng dengan pemasangan geogrid yang sebidang memiliki faktor keamanan
sebesar 2,10 sedangkan lereng dengan pemasangan geogrid tidak sebidang
memiliki faktor keamanan sebesar 2,29, maka geogrid yang tidak sebidang
memiliki faktor keamanan yang lebih besar daripada geogrid yang sebidang.
Kata Kunci : sheet pile, geogrid, counterweight, metode elemen hingga, faktor
keamanan lereng
ii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur Penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Kuasa,
atas berkat dan karunia – Nya lah sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas
Akhir ini dengan baik.
Penulisan Tugas Akhir ini adalah untuk melengkapi persyaratan dalam
menempuh ujian Sarjana Teknik Sipil pada Fakultas Teknik Departemen Teknik
Sipil Universitas Sumatera Utara.
Dalam penulisan Tugas Akhir ini, Penulis menghadapi berbagai kendala,
tetapi karena bantuan dari berbagai pihak, penulisan Tugas Akhir ini dapat
terselesaikan. Pada kesempatan ini pula, Penulis menyampaikan ucapan terima
kasih yang sebesar – besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Rudi Iskandar, MT., sebagai Dosen Pembimbing dan Penguji
yang telah sabar memberi bimbingan, arahan, saran, serta motivasi kepada
Penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Prof. Dr. Ir. Roesyanto, MSCE., dan Ibu Ika Puji Hastuti, ST, MT.,
sebagai Dosen Pembanding dan Penguji Departemen Teknik Sipil Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Prof. Dr. Ing-.Johannes Tarigan, sebagai Ketua Departemen Teknik
Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Ir. Syahrizal, MT., sebagai Sekretaris Departemen Teknik Sipil
Universitas Sumatera Utara.
iii
5. Ibu Ika Puji Hastuti, ST, MT., sebagai Kepala Laboratorium Mekanika
Tanah Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara.
6. Seluruh Bapak dan Ibu Dosen Pengajar Departemen Teknik Sipil Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah membimbing dan
memberikan pengajaran kepada Penulis selama menempuh masa studi di
Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
7. Seluruh staf pegawai Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara.
8. Kedua orang tuaku Bapak Ir. A. Sebayang dan Ibu R. Perangin-angin, SE
yang dengan penuh cinta kasih, kesabaran, dan ketabahan dalam merawat,
mendidik, menjaga, mendoakan serta berjuang dengan keras untuk selalu
memenuhi kebutuhan hidupku hingga berhasil mendapatkan kesempatan
untuk menempuh pendidikan yang tinggi. Semoga Tuhan Yang Maha
Kuasa selalu melimpahkan berkat bagi beliau.
9. Kepada kakak dan adik-adikku, yang selalu mendukung dan memberi
semangat serta doa demi kelancaran kuliahku, Ria Elevin Sebayang,
Amd., Agriva Suranta Sebayang dan Meylisa Gabriela Sebayang.
10. Sahabat-sahabatku Febrina Ginting, Mei Tambunan, Yolanda Ginting dan
Utami Tampubolon yang selalu memberikan semangat dan dukungan bagi
Penulis.
11. Sahabat-sahabat seperjuangan di Teknik Sipil USU, Sandy C. Sinaga,
Grace N. Simamora dan Elgina F. Manalu, terima kasih dukungan serta
semangat dalam perkuliahan penulis dan pengerjaan tugas akhir ini.
iv
12. Sahabat-sahabat Pengurus Permata Kemenangan Tani, Andos, Doanta,
Yahya, Basri, Fran, Ebed, Priskila, Lia, Cici, dan terkhusus untuk Dapit
Sembiring yang selalu memotivasi, memberi semangat, doa dan perhatian
kepada penulis.
13. Teman-teman Geoteknik 2009, Hasoloan H.P Sinaga, Agrifa Sianipar,
Elisa D.J Purba, Manna Grace Sihotang, Atina Rezky dan Nita Fadila,
terima kasih atas segala bantuannya selama ini.
14. Seluruh rekan-rekan seperjuangan stambuk 2009, Frengky, Jostar, Sahala
dan yang tidak dapat disebutkan satu persatu namanya yang telah memberi
dukungan serta semangat dalam perkuliahan penulis.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh
karena itu, Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari
Bapak dan Ibu Staf Pengajar serta rekan – rekan mahasiswa demi penyempurnaan
Tugas Akhir ini.
Akhir kata, Penulis berharap Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat
yang sebesar–besarnya bagi kita semua. Amin.
Medan,
Februari 2014
Erin Anastasia Sebayang
08 0404 085
v
DAFTAR ISI
Abstrak .................................................................................................................................. ii
Kata Pengantar ...................................................................................................................... iii
Daftar Isi ............................................................................................................................... vi
Daftar Gambar....................................................................................................................... x
Daftar Tabel .......................................................................................................................... xiv
Daftar Notasi dan Singkatan ................................................................................................ xv
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang Masalah................................................................................... 1
1.2 Identifikasi Masalah ......................................................................................... 2
1.3 Tujuan dan Manfaat ......................................................................................... 3
1.4 Pembatasan Masalah ........................................................................................ 4
1.5 Sistematika Penulisan ...................................................................................... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................................ 6
2.1 Tanah................................................................................................................ 6
2.2 Dinding Penahan Tanah ................................................................................... 6
2.2.1. Sistem Stabilisasi Eksternal ................................................................... 7
2.2.1.1 Faktor Keamanan terhadap kegagalan geser ............................. 10
2.2.1.2 Faktor Keamanan terhadap kegagalan guling ........................... 13
2.2.1.3 Faktor Keamanan terhadap kegagalan stabilitas global ............ 13
vi
2.2.2. Sistem Stabilisasi Internal ...................................................................... 15
2.3 Tanah Bertulang ............................................................................................... 17
2.3.1 Prinsip dan Interaksi tulangan tanah ...................................................... 18
2.3.2 Akibat penggunaan tulangan pada kekuatan geser tanah....................... 21
2.3.2.1 Koefisien Geser Tampak ........................................................... 22
2.3.2.2 Sudut Geser, Kohesi Tanah dan Tegangan Overburden ........... 24
2.4 Tekanan Tanah Lateral..................................................................................... 27
2.4.1 Tekanan Tanah dalam Keadaan Diam (At-Rest) ................................... 27
2.4.2 Tekanan Tanah Aktif dan Pasif Menurut Rankine ................................ 29
2.5 Bidang Longsor ................................................................................................ 32
2.5.1 Distribusi Tegangan Vertikal .................................................................. 33
2.5.2 Distribusi Tegangan Horizontal .............................................................. 34
2.5.2.1 Gaya Horisontal yang Ditahan Tulangan .................................... 35
2.6 Sheet Pile .......................................................................................................... 37
2.6.1 Metode Konstruksi Sheet Pile ................................................................. 38
2.6.2 Desain Kedalaman Sheet Pile ................................................................. 39
2.7 Geogrid ............................................................................................................. 42
2.7.1 Jenis Geogrid .......................................................................................... 45
2.7.2 Kelebihan Pemakaian Geogrid ............................................................... 47
2.7.3 Kekurangan Pemakaian Geogrid ............................................................ 47
2.7.4 Desain Perkuatan Geogrid pada Sheet Pile ............................................. 48
2.8 Metode Elemen Hingga .................................................................................... 50
2.8.1 Matriks Kekakuan Elemen ...................................................................... 50
vii
2.8.2 Tipe – Tipe Elemen Dalam Metode Elemen Hingga .............................. 51
2.8.3 Konsep Tegangan – Regangan................................................................ 53
2.8.4 Sifat Mekanik Bahan ....................................................................... 59
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................................. 63
3.1 Data Umum .................................................................................................... 63
3.2 Data Tanah...................................................................................................... 63
3.3 Data Teknis Geogrid....................................................................................... 64
3.4 Data Teknis Sheet Pile.................................................................................... 64
3.5 Metode Pengumpulan Data ............................................................................ 66
3.6 Metode Perencanaan Menggunakan Metode Elemen Hingga........................ 66
BAB IV ANALISIS DAN PERHITUNGAN ....................................................................... 75
4.1 Kondisi Lereng Setelah Konstruksi ................................................................. 75
4.1.1 Faktor Keamanan Lereng ....................................................................... 79
4.1.2 Deformasi Lereng .................................................................................. 79
4.1.3 Deformasi pada sheet pile ...................................................................... 81
4.1.4 Deformasi pada geogrid ......................................................................... 82
4.2 Pengaruh Beban Counterweight terhadap Konstruksi Lereng ......................... 83
4.2.1 Faktor Keamanan Lereng ....................................................................... 83
4.2.2 Deformasi Lereng .................................................................................. 84
4.2.3 Deformasi pada sheet pile ...................................................................... 86
4.2.4 Deformasi pada geogrid ......................................................................... 87
viii
4.3 Pengaruh Panjang Sheet Pile terhadap Konstruksi Lereng ............................. 89
4.3.1. Lereng dengan Penambahan Panjang Sheet Pile .................................. 89
4.3.1.1 Faktor Keamanan Lereng
............................................. 89
4.3.1.2 Deformasi Lereng ................................................................... 90
4.3.1.3 Deformasi pada sheet pile ....................................................... 92
4.3.1.4 Deformasi pada geogrid .......................................................... 93
4.3.2. Lereng dengan pengurangan panjang sheet pile .................................. 94
4.3.2.1 Faktor Keamanan Lereng ........................................................ 94
4.3.2.2 Deformasi Lereng .................................................................... 95
4.3.2.3 Deformasi pada sheet pile ....................................................... 97
4.3.2.4 Deformasi pada geogrid .......................................................... 98
4.4 Pengaruh Pemasangan Geogrid terhadap Konstruksi Lereng.............. ........... 100
4.4.1 Faktor Keamanan Lereng ..................................................................... 100
4.4.2 Deformasi Lereng ................................................................................ 101
4.4.3 Deformasi pada sheet pile ................................................................... 103
4.4.4 Deformasi pada geogrid ...................................................................... 105
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................ ...................... 107
5.1 Kesimpulan ...................................................................................................... 107
5.2 Saran ................................................................................................................ 108
Daftar Pustaka
Lampiran
ix
DAFTAR GAMBAR
No.
Judul
Hal
2.1
Diagram Fase Tanah
6
2.2
Klasifikasi Dinding Penahan Tanah
7
2.3
Gravity Walls
8
2.4
Sheet Pile Wall
9
2.5
Mekanisme kegagalan dinding penahan (a) Kegagalan Pergeseran;
(b) Kegagalan Penggulingan; (c) Kegagalan daya dukung tanah
(d) Kegagalan stabilitas lereng global
2.6
10
Gaya-gaya yang bekerja pada analisis stabilitas eksternal
menggunakan asumsi Meyerhoff
12
2.7
Mechanically Stabilized Earth
15
2.8
Zona aktif dan zona penahan dinding penahan
16
2.9
Bidang-bidang Longsor Potensial
17
2.10 Transfer geser tanah-tulangan
18
2.11 Variasi gaya tarik sepanjang tulangan
19
2.12 Hubungan linear antara tegangan normal dan tegangan geser
22
2.13 Penjelasan kohesi tampak pada peningkatan kekuatan
karena tulangan
25
2.14 Konsep naiknya confinement tanah bertulang
26
2.15 Garis kekuatan untuk pasir dan pasir bertulang
26
2.16 Distribusi tekanan tanah dalam keadaan diam (at rest) pada
x
dinding penahan
29
2.17 Grafik hubungan pergerakan dinding penahan dan tekanan tanah
30
2.18 Dinding Penahan Tanah tanpa Tulangan
33
2.19 Dinding Penahan Tanah dengan Tulangan
33
2.20 Gaya horizontal yang harus ditahan tulangan
36
2.21 Metode konstruksi dari Backfilled Structure
38
2.22 Metode konstruksi dari Dregde Structure
39
2.23 Sheet pile pada tanah lempung
40
2.24 Geogrid Uni-Axial
48
2.25 Geogrid Bi-Axial
49
2.26 Geogrid Triax
49
2.27 Tipe dari perkuatan geogrid (a) geogrid wraparound wall;
(b) wall with gabion facing; (c) concrete panel-faced wall
52
2.28 Elemen 1 dimensi Susatio, Yerri. (2004)
55
2.29 Elemen 2 dimensi segitiga dan segiempat Susatio, Yerri. (2004)
55
2.30 Elemen 3 dimensi tetrahedra dan balok Susatio, Yerri. (2004)
56
2.31 Tegangan yang berkerja pada suatu bidang Gere, Timoshenko.(2000) 57
2.32 Diagram tegangan-regangan Indrakto, Rifky. (2007)
64
3.1
Bagan Alir Penelitian
76
4.1
Model Penampang Melintang Lereng.
77
4.2
Lereng yang telah diberi beban, sheet pile, geogrid
dan counterweight.
78
4.3
Tahapan perhitungan
80
4.4
Perhitungan Safety Factor
81
xi
4.5
Deformation Mesh
82
4.6
Kondisi displacement dengan perkuatan sheet pile dan geogrid
82
4.7
Kondisi strain pada lereng dengan perkuatan sheet pile dan geogrid 83
4.8
Displacement pada sheet pile
84
4.9
Displacement pada Geogrid
84
4.10 Kondisi Lereng tanpa beban counterweight
85
4.11 Tahap perhitungan safety factor
86
4.12 Deformation Mesh
87
4.13 Kondisi displacement tanpa counterweight
87
4.14 Kondisi strain pada lereng tanpa counterweight
88
4.15 Displacement pada sheet pile
89
4.16 Displacement pada Geogrid
89
4.17 Kondisi lereng dengan penambahan panjang sheet pile
91
4.18 Tahap perhitungan faktor keamanan
92
4.19 Deformation Mesh
93
4.20 Kondisi displacement dengan penambahan panjang sheet pile
93
4.21 Kondisi strain pada lereng dengan penambahan panjang sheet pile
94
4.22 Displacement pada sheet pile
95
4.23 Displacement pada Geogrid
95
4.24 Kondisi lereng dengan pengurangan panjang sheet pile
96
4.25 Tahapan perhitungan
97
4.26 Deformation Mesh
97
xii
4.27 Kondisi displacement dengan pengurangan panjang sheet pile
98
4.28 Kondisi strain pada lereng dengan pengurangan panjang sheet pile
98
4.29 Displacement pada sheet pile
99
4.30 Displacement pada Geogrid
100
4.31 Kondisi lereng dengan geogrid yang sebidang
102
4.32 Tahap Perhitungan
103
4.33 Deformation Mesh
104
4.34 Kondisi displacement dengan geogrid yang sebidang
104
4.35 Kondisi strain pada lereng dengan geogrid yang sebidang
105
4.36 Displacement pada sheet pile
106
4.37 Displacement pada Geogrid
106
xiii
DAFTAR TABEL
No.
Judul
Hal
3.1
Data Tanah
66
3.2
Data geogrid yang digunakan
67
3.3
Parameter Geogrid
67
3.4
Data Sheet Pile yang digunakan
67
3.5
Parameter Sheet Pile
68
4.1
Deskripsi tanah
78
4.2
Perbandingan lereng terhadap beban counterweight
90
4.3
Perbandingan lereng berdasarkan panjang sheet pile
101
4.4
Perbandingan lereng berdasarkan pemasangan geogrid
107
xiv
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN
A
luas bidang
bi
L -Lp (garis keruntuhan sesuai dengan bidang longsor Rankine)
c
kohesi
Cu
koefisien keseragaman
F
gaya yang bekerja tegak lurus terhadap potongan
𝐹𝑆𝑛𝑜𝑛−𝑡𝑢𝑙𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 faktor keamanan terhadap kelongsoran lereng tanah non-tulangan
𝐹𝑆𝑡𝑢𝑙𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛
faktor keamanan terhadap kelongsoran lereng tanah bertulangan
H
tinggi dinding penahan
HDPE
High Density Polyethelene
K
koefisien tekanan tanah lateral
Ka
koefisien tekanan tanah aktif
Ko
koefisien tekanan tanah dalam keadaan diam
Kp
koefisien tekanan tanah pasif
L
panjang tulangan
MD
jumlah momen guling akibat gaya horizontal
Mg
momen stabilitas
OCR
overconsolidation ratio
PE
Polyethylene
PEh
tekanan tanah aktif horisontal akibat berat sendiri tanah
PI
Indeks Plastis
PM
Polyamide
geogrid
xv
PS
Polyester
PP
Polypropylene
Pq
resultan tekanan tanah horisontal akibat beban surcharge
Pqh
tekanan tanah aktif horizontal akibat beban q
q
beban surcharge
SF
Safety Factor
Tmaks
gaya tarik maksimum geogrid untuk setiap lapisan
V
volume total
Va
volume udara
Vs
volume butiran tanah
Vv
volume pori
Vw
volume air
W
berat total tanah
Ws
berat butiran tanah
Ww
berat air
W
berat struktur dinding penahan
Z
kedalaman
∑ 𝑀𝑅
jumlah momen penahan guling
berat isi tanah
∑ 𝑀𝐷
jumlah momen penyebab guling
𝛾
γ dry
berat isi kering tanah
γ wet
berat isi jenuh
δb
sudut geser tanah antara tanah dasar dan dasar dinding
σ
tegangan normal
xvi
ø
sudut geser dalam tanah
σv
tegangan normal
μ*
koefisien geser tampak
τ
tegangan geser
∆𝑃ℎ
gaya horisontal per meter lebar pada dinding setinggi
∆H
jumlah dari jarak setengah tinggi tanah bagian atas dan setengah
σx
tegangan normal yang bekerja pada bidang x
σy
tegangan normal yang bekerja pada bidang y
σz
tegangan normal yang bekerja pada bidang z
τ xy
tegangan geser yang bekerja pada bidang normal x dalam arah y
τ xz
tegangan geser yang bekerja pada bidang normal x dalam arah z
τ yx
tegangan geser yang bekerja pada bidang normal y dalam arah x
τ yz
tegangan geser yang bekerja pada bidang normal y dalam arah z
{ε}
matrik kolom regangan
{u}
matriks kolom berisi perpindahan translalasi dan rotasi nodal
tinggi tanah bagian bawah
elemen.
{σ}
vektor tegangan
{F}
matriks kolom gaya dan momen pada nodal elemen
[d]
matrik operator dengan peralihan
[E]
matriks elastisitas elemen
[K]
matriks kekakuan elemen.
xvii