Konferensi Nasional Teknik Sipil I (KoNTekS I) Universitas Atma Jaya Yogyakarta Yogyakarta, 11 12 Mei 2007

KAJIAN MODEL PERILAKU SWELLING PADA TANAH LEMPUNG EKSPANSIF DENGAN POLA DUA DIMENSI

Agus Tugas Sudjianto

Dosen Jurusan Teknik Sipil, Universitas Widyagama, Jl. Taman Borobudur Indah No. 3 Malang

ats_2003@yahoo.com. Mahasiswa Sekolah Pasca Sarjana Universitas Gadjah Mada, Jl. Grafika No. 2. Jogyakarta.

ABSTRAK

Dalam setiap pekerjaan teknik sipil tidak lepas dengan aspek yang paling penting yaitu tanah. Beberapa permasalahan yang sering dijumpai pada hakekatnya disebabkan sifat-sifat teknis tanah yang buruk ditandai dengan air tanah yang berlebihan, komprebilitas yang besar dan daya dukung yang rendah. Beberapa tanah memiliki perubahan volume yang signifikan seiring dengan perubahan kadar airnya. Tanah jenis ini merupakan tanah lempung yang banyak mengandung mineral-mineral yang memilikki potensi pengembangan (swelling potential) yang tinggi. Kondisi tanah ini sering disebut sebagai tanah lempung ekspansif. Selama ini kajian tentang perilaku swelling di laboratorium pada tanah lempung ekspansif hanya menggunakan pola satu arah, yaitu kearah vertikal saja. Kondisi tersebut sebenarnya hanya sesuai untuk permukaan tanah yang datar. Model ini tentunya tidak akan cocok bila permukaan tanah lempung ekspansif miring, terdapat konstruksi dinding penahan tanah dan terowongan, dimana potensi dan tekanan swelling arah horisontal sangat menonjol akibat gerakan dinding Guna mendapatkan solusi yang baik terhadap permasalahan tersebut, maka swelling tanah lempung ekspansif harus ditinjau secara multi demensi, yaitu arah vertikal dan horisontal. Dalam kajian ini, memberikan ganbaran model swelling dua dimensi yang dilakukan oleh Sorochan (1991), Mawire dan Senneset (1998). Dari hasil penelitian yang dilakukan tersebut, didapatkan hasil bahwa swelling arah horisontal pada tanah lempung ekspnasif lebih besar dari swelling arah vertikal.

Kata kunci : Tanah lempung ekspansif, swelling vertikal, swelling horisontal.

1. PENDAHULUAN Dalam setiap pekerjaan teknik sipil tidak lepas dengan aspek yang paling penting yaitu tanah. Beberapa permasalahan yang sering dijumpai pada hakekatnya disebabkan sifat-sifat teknis tanah yang buruk ditandai dengan air tanah yang berlebihan, komprebilitas yang besar dan daya dukung yang rendah. Beberapa tanah memilikki perubahan volume yang signifikan seiring dengan perubahan kadar airnya. Tanah jenis ini merupakan tanah lempung yang banyak mengandung mineral-mineral yang memilikki potensi pengembangan (swelling potential) yang tinggi. Kondisi tanah ini sering disebut sebagai tanah lempung ekspansif (Hardiyatmo, 2002). Mineral-mineral ekspansif tersebut diantaranya: montmorilonite, illite, kaolinite, haloysite,vermiculite dan attapulgite (Chen, 1975)

Tanah lempung ekspansif dapat ditemukan dibanyak tempat di dunia seperti dikutip dalam Chen (1975), yaitu Argentina, Arab Saudi, Afrika Selatan, Amerika Serikat, Australia, Canada, Cina, Ethiopia, Ghana, India, Iran, Israel, Mexico, Maroko, Myanmar, Yordania, Sudan, Ethiopia, Spanyol, Turki dan Venezuela. Tanah lempung ekspansif adalah salah satu jenis tanah berbutir halus ukuran koloidal yang terbentuk dari mineral-mineral ekspansif. Tanah lempung ekspansif ini memilikki potensi kembang susut yang tinggi apabila terjadi perubahan kadar air. Sifat kembang susut

ISBN 979.9243.80.7 147

Agus Tugas Sudjianto

ini dapat menimbulkan kerusakan pada bangunan. Jones & Holthz (1973) melaporkan, di Amerika Serikat, kerugian yang diakibatkan oleh masalah tanah ekspansif ternyata melebihi bencana alam lainya, termasuk kerugian yang diakibatkan oleh gempa bumi dan angin tornado. Menurut data dari Federal Emergency Agency (FEMA) tahun 1982, kerugian akibat tanah ekspansif pada tahun 1970 mencapai $ 798.100.000 (Nelson dan Miller, 1992). Sedangkan, Gourley dkk (1993) menyatakan, setiap tahun kerusakan gedung, struktur bangunan dan jalan yang diakibatkan oleh tanah ekspansif diprediksi sekitar $150.000.000 di UK, $100.000.000 di USA dan Milyaran Dollar di seluruh dunia

Di Indonesia, ditinjau dari kejadian tanahnya, masalah tanah lempung ekspansif terdapat di seluruh Indonesia, mulai dari Sumatra Utara sampai ke Papua (Mochtar, 1994). Walaupun jumlah kerugiannya belum dilaporkan, tetapi dari penelitian dan survey yang telah lakukan oleh pihak Bina Marga dan Pusat Penelitian dan Pengembangan Jalan Departemen Pekerjaaan Umum, diketahui bahwa kerusakan pada beberapa ruas jalan di Pulau Jawa adalah disebabkan oleh masalah tanah lempung ekspansif.

Untuk memprediksi sifat kembang susut tanah lempung ekspansif dapat dilakukan uji pengembangan (swelling) di laboratorium, analisis-analisis kimia dan mineralogi, korelasi dengan klasifikasi dan sifat-sifat indeks tanah. Thomas (1998) menyatakan, untuk mengidentifikasi kembang susut tanah lempung ekspansif dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: identifikasi tidak langsung dan identifikasi langsung. Noormalasari dkk (2000) menyatakan, ada tiga metode untuk mengidentifikasi kembang susut tanah lempung ekspansif. Disamping metode langsung dan tidak lansung ditambah satu metede lagi yaitu metode mineralogis.

Dari beberapa cara identifikasi tersebut, identifikasi secara langsung yaitu dengan melakukan uji swelling di laboratorium. Selama ini pengujian swelling dilakukan dengan cara yang bervariasi karena belum ada prosedur yang standar, sehingga hasil pengujian menjadi berbeda dan tidak dapat dibandingkan (Hardiyatmo, 2002). Beberapa prosedur tersebut dilakukan dengan alat pengujian swelling yang berbeda-beda, diantaranya oedometer (konsolidometer), Geonor (swelling test apparatus), uji pengembangan bebas (free swell test) dengan silinder, CBR test dengan silinder.

Uji swelling di laboratorium sampai saat ini, dilakukan pada ring yang terkekang arah lateral maka tidak ada deformasi swelling arah horisontal. Akibatnya kondisi swelling di lapangan diasumsikan terjadi hanya pada arah vertikal. Model ini tentunya tidak akan cocok bila permukaan tanah lempung ekspansif miring dan terdapat konstruksi dinding penahan tanah dan terowongan dimana swelling arah horisontal sangat menonjol akibat gerakan dinding (Coduto,1994).

2. MEKANISME SWELLING Pada saat tanah lempung ekspansif mengalami pembasahan maka akan terjadi deformasi swelling ke arah vertikal maupun horisontal (Sorochan, 1991). Sebagai konsekuensinya, pada konstruksi bangunan pondasi, dinding penahan tanah dan terowongan yang dibangun diatas tanah lempung ekspansif, harus dilakukan perhitungan deformasi dan tekanan horisontal yang terjadi pada saat tanah lempung ekspansif mengalami swelling. Seperti ilustrasi pada gambar 1, struktur badan jalan raya, pondasi bangunan dan stabilitas lereng yang dibangun di atas muka air tanah. Di sini akan terjadi perubahan volume akibat swelling dan suction tanah lempung

ISBN 979.9243.80.7 148

Kajian Model Perilaku Swelling pada Tanah Lempung Ekspansif dengan Pola Dua Dimensi

ekspansif ketika hujan terjadi (Rifai, 2002). Pada dinding penahan tanah, swelling arah horisotal yang terjadi lebih dominan dibandingkan arah vertikal oleh akibat gerakan dinding (Coduto 1994). Sehingga dalam perencanaan dan pelaksanaan pembagunan struktur bangunan pada tanah lempung ekspansif permasalahan swelling harus dapat diprediksi dan diukur pada suatu lokasi. Sehingga kita dapat mengantisipasi terhadap kemungkinan kerusakan bangunan yang akan ditimbulkan.

Perubahan kadar air mengakibatkan sistem muatan listrik pada air higrokopis dalam massa tanah akan berubah karena terjadi penambahan muatan positif dan negatif. Penambahan kadar air pada tanah ekspansif akan menambah jumlah system muatan listrik dalam satu satuan tanah, tergantung dari kapasitas muatan listrik struktur mineral

pembentuknya. Kapasitas pertukaran muatan listrik yang besar tersebut mengakibatkan tanah ekspansif mempunyai potensi kembang susut yang tinggi (Muljadi dan Junica, 1997).

Spread footing foundation

Retaining w all

Back fill

Roadw ay

Natural slope

G roundwater table

UNSATURATED SOIL

SATURATED SOIL

Precipitation

Evapotranspiration

R eduction ofsoil hum idity

Gambar 1. Contoh masalah praktis geoteknik pada tanah lempung ekspansif

(Rifai, 2002)

Karena partikel lempung ekspansif begitu kecil sehingga mendominasi perilaku surface force. Surface force mempunyai dampak yang lebih penting, karena beberapa lempung dapat menyebabkan terjadinya penyerapan air dan pengembangan (swelling).

Proses swelling yang disebabkan oleh pergerakan air ke daerah interlayer, dapat dijelaskan dengan proses osmosis yaitu air bergerak dari konsentrasi yang tinggi melewati membran semipermeabel (gambar 2). Swelling dapat membesar dari persentase yang kecil hingga lebih dari 30%.

Dalam kasus montmorillonite, air bergerak ke daerah interlayer sehingga merespon interlayer cation, menghasilkan jaringan yang meluas pada struktur kristal sehingga terjadi pengembangan (swelling) pada tanah lempung. Hal ini dapat kita lihat pada skematik Gambar 3 Ion sodium montmorillonite pada daerah interlayer menyebabkan tekanan osmotik lebih besar daripada calcium, sehingga sodium montmorillonite menunjukan swelling yang lebih besar daripada calcium montmorillonite.

ISBN 979.9243.80.7 149

Agus Tugas Sudjianto

Gambar 2. Osmosis melewati membran semipermeabel (Anonim, 2004)

Gambar 3. Mekanisme osmotik pada partikel lempung (Mitchell, 1993)

Penjelasan yang lebih spesifik untuk swelling adalah dimana terdapat dua lapisan pada permukaan koloidal partikel lempung. Partikel lempung memiliki permukaan yang bermuatan negatif. kation menyerap ke dalam permukaan ini. Kation adalah interlayer, yang merupakan lapisan ganda pada permukaan lempung. Lapisan ganda ini dapat menarik air secara elektris kemudian berada disekitar partikel lempung yang dikenal sebagai air lapisan ganda. Ukuran lapisan ganda lebih kecil dari ukuran partikel lempung, dengan ketebalan sekitar 39 nm. Untuk lempung yang memiliki tebal 500 nm, lapisan ganda ini pengaruhnya kecil. Tetapi untuk partikel lempung yang hanya memiliki ketebalan nm yang sedikit, lapisan ganda ini memiliki pengaruh yang besar sekali. Terhadap swelling pada tanah lempung.

3. SWELLING TANAH LEMPUNG EKSPANSIF DUA DIMENSI Pada saat tanah lempung ekspansif mengalami pembasahan maka akan terjadi deformasi dan tekanan swelling ke arah vertikal maupun horisontal (Sorochan, 1991). Sebagai konsekuensinya, pada konstruksi bangunan pondasi, dinding penahan tanah dan terowongan yang dibangun diatas tanah lempung ekspansif, harus dilakukan perhitungan tekanan horisontal yang terjadi pada saat tanah lempung ekspansif mengalami swelling. Hal ini disebabkan karena swelling horisontal lebih dominan daripada swelling vertikal akibat gerakan dinding (Coduto, 1994). Chen (1975) menyatakan, untuk memahami swelling tanah lempung ekspansif ada dua parameter yang digunakan untuk mengukur kualitas swelling dari tanah lempung ekspansif,

ISBN 979.9243.80.7 150

Kajian Model Perilaku Swelling pada Tanah Lempung Ekspansif dengan Pola Dua Dimensi

yaitu: deformasi pengembangan (swelling potential) dan tekanan pengembangan (swelling pressure)

3.1. Model deformasi swelling dua dimensi Sorochan (1991) Sorochan (1991) melakukan penelitian lapangan pada tanah lempung ekspansif disekitar kota Kerch (Rusia). Tanah tersebut adalah tanah Khavalynsk, adapun data properties dan mineral tanah seperti pada tabel 1 dan 2.

Tabel 1. Properties Tanah Khavalynsk Property Value Kadar air , wa (%) 51,84 Unit weight, (t/m3) 1,65 Specific Gravity, Gs 2,55 Plastic Limit, PL (%) 25,00 Liquid Limit, LL (%) 60,00 Plasticity Index, PI (%) 35,00 Shrinkage Limit, SL (%) 9,79 Clay content (%) 88,30

Tabel 2. Komposisi Mineral Tanah Khavalynsk Property Value Montmorilonite 23% Illite 63% Kaolinite 14%

Penelitian lapangan dilakukan dengan membuat model pondasi menerus dengan lebar 4 m. Pondasi di uji swelling tanpa beban dan deformasi dari luar. Model pondasi diletakan pada daerah yang basah. Setelah pengamatan 80 hari, Sorochan mendapatkan model perilaku swelling vertikal dan horisontal seperti pada gambar 4.

Pada Gambar 4, No.1 menunjukan swelling vertikal pada permukaan tanah. No 2 dan 3, menunjukan swelling vertikal pada kedalaman 2,5 m dan 4 m. No. 4,5,6 dan 7, menunjukan swelling horisontal pada tanah Khavalynsk. No. 8, adalah vektor swelling pada titik O, C dan D. No. 9, batas daerah swelling horisontal. No. 10 adalah batas daerah swelling vertikal.

Gambar 4. Diagram deformasi swelling vertikal dan horizontal Tanah Khavalynsk

(Sorochan, 1991)

ISBN 979.9243.80.7 151

Agus Tugas Sudjianto

Dari diagram gambar 4, tampak bahwa deformasi swelling horizontal lebih besar dari deformasi swelling vertikal, dipermukaan tanah deformasi swelling vertikal sebesar 90 mm namun pada deformasi swelling horisontal mencapai 125 mm. Kecenderungan yang ada baik pada swelling vertikal maupun swelling horisontal, deformasi yang terjadi dipengaruhi oleh kedalaman tanah. Dari diagram tersebut, semakin kedalam lapisan tanah maka deformasi swelling yang terjadi pada arah vertikal dan horisontal juga semakin menurun.

3.2.Model swelling pressure dua dimensi Mawire dan Senneset (1998) Mawire dan Senneset (1998) melakukan penelitian swelling pressure (tekanan pengembangan) pada tanah lempung ekspansif dengan pola dua dimensi. Sampel tanah diambil dari lahan disekitar kampus Zimbabwe di Harare. Hasil properties tanah seperti pada tabel 3.

Tabel 3. Properties Tanah Lempung Harare Property Value Kadar air , wa (%) 12,00 Unit weight, (t/m3) 1,65 Specific Gravity, Gs 2,58 Plastic Limit, PL (%) 20,00 Liquid Limit, LL (%) 65,00 Plasticity Index, PI (%) 45,00 Shrinkage Limit, SL (%) 19,00 Clay content (%) 40,00

Pengukuran tekanan pengembangan (swelling pressure) dilakukan di laboratorium dengan menggunakan alat triaksial modifikasi. Hasil pengukuran seperti pada gambar 5. Dari gambar tersebut terlihat bahwa swelling pressure arah horizontal lebih besar dari swelling pressure arah vertikal

Gambar 5. Swelling pressure vertikal dan horisontal tanah lempung ekspansif di

Harare (Mawire dan Senneset, 1998)

4. KESIMPULAN Dari hasil kajian pustaka ini, maka dapat disimpulkan beberapa hal tentang perilaku swelling tanah lempung ekspansif, yaitu :

ISBN 979.9243.80.7 152

Kajian Model Perilaku Swelling pada Tanah Lempung Ekspansif dengan Pola Dua Dimensi

1. pada saat tanah lempung ekspansif mengalami pembasahan maka akan terjadi deformasi dan tekanan swelling dengan pola dua dimensi yaitu pada arah vertikal dan horisontal.

2. perilaku deformasi swelling arah horisontal lebih besar dari deformasi swelling arah vertikal pada tanah lempung ekspansif, dan deformasi swelling tersebut akan menjadi kecil dengan semakin dalamnya lapisan tanah lempung ekspansif.

3. tekanan pengembangan (sweling pressure) arah horisontal lebih besar dari tekanan pengembangan (swelling pressure) arah vertikal pada tanah lempung ekspansif.

5. DAFTAR PUSTAKA 1. Anonim (2004), Clay Mineral, TAM224/CE210, bagian 3, pp 1-7,

www.geotechnical.com..

2. Chen, F.H. (1975), Foundation on Expansive Soils, Developments in Geotechnical Enginering, Elseveier Scientific Publication Company, New York.

3. Coduto, D.P. (1994), Foundation Design Principles and Practices, Prentice Hall International, Inc.

4. Gourly, C.S., Newill, D., and Schreiner, H.D. (1993), Expansive Soil, TRLs Research Strategy, Proc. Ist Inc. Symp. Engineering Characteristics of Arid Soils, London.

5. Hardiyatmo, H.C. (2000), Mekanika Tanah I, edisi 2, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.

6. Indrasurya B. M. (1994), Rekayasa Penanggulangan Masalah Pembangunan pada Tanah-tanah Sulit, Jurusan Teknik Sipil FTSP ITS, Surabaya.

7. Mawire, K., and Senneset, K. (1998), Mobilised swelling pressure s an expansive soil, 12th African Regional Conference of the International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Department of Geotechnical Engineering , NTNU, Trondheim, Norway.

8. Mitchell, J.K. (1993), Fundamentals of Soil Behavior, Second edition, Jhon Wiley & Sons, Inc., New York.

9. Nelson, J.D., and Miller, D.J. (1992), Expansive Soils; Problem and practice in Foundation and Pavement Engineering, John Wiley and Sons, New York.

10. Rifai, A. (2002), Mechanical testing and Modelling of an Unsaturated Silt with engineering Application, Ph.D Desertation , EPFL, Switzerland.

ISBN 979.9243.80.7 153