20 III. METODOLOGI PENELITIAN A. Tempat dan

III. METODOLOGI PENELITIAN
A. Tempat dan Waktu
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Fisika dan Mekanika Tanah dan
Laboratorium Hidrolika dan Hidromekanika, Departemen Teknik Pertanian,
Fakultas
Teknologi
Pertanian,
Institut
Pertanian
Bogor.
Penelitian
ini
dilaksanakan dari bulan Mei sampai Agustus 2009.
B. Bahan dan Alat
1.
Bahan
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah :
a.
Contoh tanah jenis Gleisol yang berasal dari Kebon Duren, Depok,
Jawa Barat yang terletak pada 106049´13.7˝ BT dan 06026´55.1˝ LS.
2.
b.
Lem resin + katalis
c.
Air destilasi
d.
Larutan H2O2 6%
Alat
a.
Oven
n. Sendok pengaduk
b.
Desicator
o. pelantak (rammer)
c.
Timbangan
p. Stopwatch
d.
Obeng
q. Gelas ukur
e.
Cangkul
r. Gelas plastik
f.
Kotak tumbuk manual
s. Selang
g.
Wadah/ember/cawan
t. Kamera digital
h.
Pisau
u. Hidrometer
i.
Termometer
v. Dongkrak hidrolik
j.
Piknometer
w. Kotak model tanggul
k.
Penyemprot air & Corong
x. Meteran
l.
Pemadat tanah (Proctor test)
y. Alat uji permeabilitas
m. Saringan (4760, 2000, 840,420,
z. Alat uji pF
250,105,75) µm
20
C. Metode Penelitian
a.
Pengambilan Contoh Tanah
Sebagai bahan timbunan model tanggul digunakan contoh tanah tidak utuh
(terganggu). Contoh tanah tersebut diambil dengan alat cangkul pada kedalaman
20-40 cm, kemudian tanah dikeringkan dengan udara untuk mengurangi kadar
airnya sehingga memudahkan dalam pengayakan. Tanah yang kering selanjutnya
disaring dengan saringan 4760 m sesuai dengan uji pemadatan standar JIS A
1210-1980 ditutup rapat untuk menjaga agar tidak terjadi penguapan air tanah
yang berlebihan.
b. Pengukuran Sifat Fisik Tanah
1.
Pengukuran Kadar Air
Pengukuran kadar air pada contoh tanah dilakukan dengan metode
gravimetrik atau dengan menggunakan metode JIS A 1203-1978. Kadar air tanah
dihitung dengan persamaan sebagai berikut (Sapei, et al., 1990) :
w=
x 100 %............................................................ (6)
dimana :
2.
w
= kadar air tanah (%)
ma
= berat tanah basah dan wadah (g)
mb
= berat tanah kering oven dan wadah (g)
mc
= berat wadah (g)
Uji Tekstur
Uji tektur dilakukan untuk menentukan distribusi (sebaran) ukuran setiap
butir partikel tanah. Distribusi ukuran partikel tanah ditentukan oleh variasi
diameter partikel dan berdasarkan persentase berat setiap fraksi terhadap berat
total. Metode yang digunakan sesuai standar JIS A 1204 – 1980 (Sapei et al,
1990).
3.
Uji Permeabilitas
Permeabilitas merupakan kemampuan fluida untuk mengalir melalui
medium yang berpori. Pengujian permeabilitas menggunakan metode ”falling
21
head”. Untuk mendapatkan koefisien permeabilitas tanah dengan metode ini
digunakan persamaan :
Kr =
................................................. (7)
dimana :
Kr = koefisien permeabilitas tanah pada suhu T0C
a
= luas permukaan pipa gelas (cm2)
l
= panjang contoh tanah (cm)
A = luas permukaan contoh tanah (cm2)
T = waktu (detik)
h1 = tinggi minikus atas (cm)
h2 = tinggi minikus bawah (cm)
Permeabilitas pada suhu standar (T = 200C) dihitung dengan menggunakan
rumus sebagai berikut (Sapei, et al., 1990) :
K20 = (µT / µ20) KT .................................................................. (8)
dimana :
K20 = koefisien permeabilitas pada suhu standar (T = 200C)
µT
= Viskositas air pada suhu T0C
µ20
= viskositas air pada suhu 200C
KT
= koefisien permeabilitas pada suhu T0C
Gambar 6. Alat uji permeabilitas dengan metode falling head
22
4.
Pengukuran Berat Jenis Tanah
Metode pengukuran berat jenis tanah yang digunakan sesuai dengan standar
JIS A 1202 – 1978 (Sapei et al, 1990) dan menggunakan persamaan :
………………………………………… (9)
Gs =
dimana :
ms = Berat tanah kering oven di dalam piknometer, g
ma = Berat piknometer dan air pada suhu TºC, g
mb = Berat tanah, air, dan piknometer pada TºC, g
5.
Pengukuran Berat Isi (Bulk Density)
Pengukuran berat isi (bulk density) dilakukan pada contoh tanah utuh.
Pengukuran berat isi menggunakan persamaan (Das, 1993) :
t
=
……………..……………………………..…… (10)
d
=
……………..…………...………………… (11)
dimana :
t
= berat isi basah (g/cm3)
d
= berat isi kering (g/cm3)
Wtb = berat tanah basah (g)
Wtk = berat tanah kering oven (g)
V
= volume tanah (cm3)
W
= kadar air (%)
Pada uji pemadatan, nilai berat isi kering maksimum dari beberapa selang
kadar air merupakan tingkat kepadatan maksimum dari suatu tingkat pemadatan.
Sedangkan kadar air pada berat isi maksimum tersebut merupakan kadar air
optimum dari suatu pemadatan.
6.
Porositas
Porositas (n) adalah bagian dari volume tanah yang diisi oleh pori-pori dan
didefinisikan sebagai (Hardiyatmo, 1992) :
23
………………………………………………….….. (12)
n=
Nisbah antara volume pori-pori (void) dengan bahan padatan disebut angka pori
(nisbah void) (e).
e=
……………………………………………………. (13)
e=
……...…………………………………………...…(14)
Vv = Vw + Va ……………………………………………… (15)
dimana :
n
= porositas
e
= angka pori
V
= volume total contoh tanah (cm3)
Vv
= volume pori (cm3)
Vs
= volume butiran padat (cm3)
Vw = volume air dalam pori (cm3)
Va
7.
= volume udara dalam pori (cm3)
Pengukuran Potensial Air Tanah (pF)
Pengukuran nilai potensial air tanah yang dipadatkan dilakukan dengan
menggunakan sand box dan wide range pF meter. Nilai potensial air tanah
diambil dari tanah tanggul yang telah dialiri dengan menggunakan ring sample.
Sand box digunakan untuk pengujian nilai pF 0 – 1.0, sedangkan wide range pF
meter digunakam untuk nilai pF 1.5 – 3.2. Untuk contoh tanah yang diukur pada
nilai pF 4.2 adalah tanah terganggu yang lolos saringan 2000 µm yang diukur di
laboratorium Departemen Ilmu Tanah. Pembacaan dalam pengukuran nilai pF
dilakukan setelah ± 24 jam, selanjutnya nilai pF tersebut diplotkan dengan nilai
kadar air yang didapatkan untuk mendapatkan kurva hubungan antara pF dengan
nilai kadar air tersebut.
24
Gambar 7. Sand box
Gambar 8. Wide range pF meter dan automatic pressure controller
c.
Pengukuran Sifat Mekanik Tanah
1.
Uji Pemadatan
Uji pemadatan dilakukan dengan uji Proctor sebagai uji standar. Metode
yang digunakan sesuai standar JIS A 1210 – 1980 1.1.1. Dari uji ini diperoleh
kadar air optimum dan berat isi maksimum. Kedua nilai tersebut merupakan nilai
uji pemadatan standar sebagai acuan untuk melakukan pemadatan tanggul.
Perhitungan untuk pemadatan tanah tersebut menggunakan persamaan berikut
(Sapei et al, 1990) :
a)
Berat isi basah ( t)
t
=
………………………………………………. (16)
b) Berat isi kering ( d)
25
Berat isi kering dihitung dengan menggunakan persamaaan 11.
c)
Berat isi jenuh (
dsat
dsat)
……………………………………….. (17)
=
dimana :
m1 = berat cetakan dan piringan dasar (kg)
m2 = berat tanah padat, cetakan dan piringan dasar (kg)
= kapasitas cetakan (cm3)
v
Gs = berat jenis
w = kadar air (%)
w
= berat jenis air (kg/cm3)
Gambar 9. Proctor test dan dongkrak hidrolik
2.
Uji Tumbuk Manual
Uji tumbuk manual dilakukan untuk mendapatkan ratio of compaction (RC)
> 90% . Pada bahan timbunan tanggul, tanah dipadatkan dengan menggunakan
alat tumbuk manual yang memiliki berat, tinggi jatuh, jumlah tumbukan, jumlah
lapisan, dan energi serta frekuensi penumbukan yang telah diperhitungkan
sehingga besarnya energi yang diberikan melalui jumlah tumbukan akan
menunjukkan kepadatan maksimum dan kadar air optimum bahan tersebut. Nilai
RC didapatkan dari persamaan berikut :
d
RC =
d
di lapangan
................................................. (18)
max uji standar proctor
26
Jumlah energi yang diberikan saat melakukan pemadatan bahan tanah
dihitung dengan persamaan :
WxHxNxLxg
CE =
dimana :
V
………………………………... (19)
CE
= jumlah energi pemadatan (kJ/m3)
W
= berat rammer (kg)
H
= tinggi jatuhan rammer (m)
N
= jumlah tumbukan pada setiap lapisan
L
= jumlah lapisan
V
= volume cetakan (m3)
g
= gravitasi (m/detik2)
Setelah didapatkan hasil uji tumbuk manual ini, selanjutnya nilai tersebut
dijadikan acuan perbandingan untuk melakukan pemadatan tanah pada model
tanggul dengan persamaan sebagai berikut :
N2 =
………………………………………………..(20)
Dimana :
N2
= jumlah tumbukan pada setiap lapisan pada model tanggul
N1
= jumlah tumbukan pada setiap lapisan pada uji tumbuk manual
L1
= luas kotak tumbuk manual (cm2)
L2
= luas tiap lapisan pada model tanggul (cm2)
Spesifikasi uji tumbuk manual ini seperti tertera pada Tabel 4, sedangkan
alat uji tumbuk manual pada Gambar 10.
Tabel 4. Spesifikasi uji tumbuk manual
Komponen
Berat rammer
Tinggi jatuhan
Cetakan
panjang
Lebar
Tinggi
Satuan
Kg
M
M
M
M
Nilai
2.05
0.3
0.4
0.3
0.1
27
Gambar 10. Kotak tumbuk manual dan pelantak (rammer)
3.
Pengujian Konsistensi Tanah
Metode pengukuran konsistensi tanah untuk batas cair (liquid limit) yang
digunakan merupakan standar JIS A 1205-1980 dan peralatan yang digunakan
disebut LL Device Grooving Tools. Sedangkan untuk pengukuran batas plastis
(plastic limit) menggunakan metode standar JIS A 1206-1970 (1978). Nilai-nilai
batas cair dan plastis yang diperoleh akan diplotkan dalam grafik plastisitas untuk
mengetahui klasifikasi tanah yang diuji dengan menggunakan Sistem Klasifikasi
Tanah Unified (Unified Soil Classification System).
d. Pembuatan Model Tanggul
Model adalah representasi suatu masalah dalam bentuk yang lebih sederhana
sehingga lebih jelas dan mudah dikerjakan. Selain itu, pembuatan model juga
bertujuan agar biaya yang dikeluarkan lebih murah. Secara umum, model terdiri
dari
beberapa
jenis
yaitu
model
ikonik,
model
analog,
dan
model
matematik/simbolik. Model ikonik adalah memberikan visualisasi atau peragaan
dari permasalahan yang ditinjau, model analog adalah didasarkan pada keserupaan
gejala yang ditunjukkan oleh masalah dan dimiliki oleh model, sedangkan model
matematik/simbolik adalah menyatakan secara kuantitatif persamaan matematik
yang mewakili suatu masalah. Pembuatan model pada penelitian ini sendiri
termasuk jenis model ikonik.
Model tanggul dibuat dalam sebuah kotak model yang terbuat dari bahan
acrylic (fiberglass). Kotak model ini dilengkapi dengan inlet, spillway (sebagai
kontrol ketinggian), dan outlet untuk pembuangan rembesan air.
28
Model tanggul yang dibuat direncanakan untuk mengkontrol kedalaman air
kurang dari 1.5 m dengan lebar atas minimum tanggul 1.5 m. Tanggul yang
direncanakan merupakan model dengan skala 1 : 12 dan “geometrically similar”,
yaitu mempunyai skala horizontal dan vertikal yang bernilai sama. Nilai 1 : 12
diambil dengan pertimbangan untuk memudahkan dalam penentuan dan
perhitungan dimensi model. Dimensi model tanggul selengkapnya tertera pada
Tabel 5.
Tabel 5. Dimensi tanggul
Dimensi
Ukuran
Lapangan
H (tinggi muka air), cm
Model
150
12.5
Hf (tinggi jagaan), cm
60
5.0
Hd (tinggi tanggul), cm
210
17.5
B (lebar atas/mercu), cm
150
12.5
1680
140.0
Hp (tinggi tekanan air), cm
180
15.0
Kemiringan
1/3
1/3
L (lebar bawah), cm
Sumber : Soedibyo (1993)
B
Hf
1
Hd
Hp
H
3
L
Gambar 11. Model tanggul
29
Gambar 12. Kotak model tanggul
Dimensi tanggul ditentukan berdasarkan kriteria kemiringan talud. Nilai
kemiringan talud yang digunakan dalam pembuatan tanggul adalah 1 : 3 untuk
memudahkan perhitungan. Selain itu, kemiringan talud ini sudah cukup aman
pada selang tersebut. Lebar bawah tanggul dihitung berdasarkan kemiringan talud
dan lebar atas. Sehingga lebar bawah tanggul adalah jumlah lebar atas dan dua
kali tinggi tanggul yang dikalikan dengan talud.
e.
Pengaliran Air pada Kotak Model Tanggul
Setelah tanah dipadatkan dan membentuk suatu model tanggul kemudian air
dialirkan ke dalam kotak model tanggul melalui inlet dengan debit air tertentu.
Selama pengaliran air pada kotak model tanggul dilakukan beberapa kegiatan,
yaitu :
Gambar 13. Proses pengaliran air
30
a)
Pengambilan foto garis rembesan
Pengambilan foto rembesan pada tubuh tanggul dilakukan 3 menit sekali
dari awal pengaliran pada bagian hulu tanggul sampai rembesan berada pada
bagian hilir tanggul.
b) Pengukuran debit rembesan
Debit rembesan adalah besarnya jumlah air yang mengalir pada tubuh
tanggul. Besarnya debit rembesan dihitung atau diukur dengan menggunakan tiga
metode yaitu rumus empiris (berdasarkan persamaan 1 & 5), analisis program
Seep/w dan pengukuran pada model tanggul secara langsung. Pada penelitian ini
rencananya perhitungan debit rembesan secara langsung dilakukan pada kondisi
dimana debit rembesan diperoleh dari air yang keluar di bagian hilir model
tanggul (outlet) sampai didapatkan debit outlet yang konstan. Jumlah air yang
keluar akan ditampung dengan menggunakan gelas ukur. Selama pengukuran
debit rembesan, permukaan air di hulu dipertahankan agar tetap.
Gambar 14. Pengukuran debit outlet
f.
Pembongkaran Model Tanggul
Setelah pengaliran air selesai dilakukan, tahap selanjutnya
yaitu
pembongkaran model tanggul. Sebelum pembongkaran, contoh tanah diambil
dengan menggunakan
ring sampel
tanah
untuk
dilakukan pengukuran
permeabilitas tanah dan uji potensial air tanah (pF). Tanah yang sudah dibongkar
31
dikeringkan udara dan disaring kembali untuk pengujian selanjutnya dengan
beberapa ulangan.
g.
Pengukuran Permeabilitas Tanah pada Model Tanggul
Setelah
selesai
pengamatan
tahapan
selanjutnya
yaitu
pengujian
permeabilitas menggunakan metode falling head dengan contoh tanah diambil
dari model tanggul di bagian hilir. Setelah dilakukan pengukuran permeabilitas
tersebut, nilai koefisien permeabilitas yang diperoleh digunakan sebagai salah satu
input untuk analisis debit rembesan dengan program Geo-Slope jenis Seep/w.
Untuk analisis debit rembesan dan panjang zona basah tersebut, selain data
koefisien permeabilitas diperlukan juga data-data seperti : jenis bahan, tekanan,
tinggi tekan (pressure head) dan unit flux. Pada penelitian ini penentuan analisis
debit rembesan selain menggunakan program Seep/w digunakan pula metode
pengukuran debit secara langsung (qinlet dan qoutlet) dan berdasarkan rumus empiris
(metode Cassagrande, metode Grafik, dan metode Bowles). Tahapan-tahapan
penelitian ini seperti yang tertera pada Gambar 15.
32
Mulai
Pengambilan contoh tanah
Pengukuran sifat fisik tanah
Pengukuran konsistensi tanah
Uji pemadatan standar
Uji tumbuk manual
tidak
RC > 90 %
ya
Pembuatan model tanggul
Model tanggul dialiri air
Pengambilan foto dan pengukuran debit rembesan
Uji permeabilitas & uji pF
Pembongkaran model tanggul
Nilai permeabilitas dan pF
Pengeringan tanah
ya
Analisis debit rembesan
1. Pengukuran langsung
2. Rumus empiris
3. Program Geoslope
tidak
Debit rembesan
Selesai
Gambar 15. Tahapan penelitian
33