Konferensi Nasional Teknik Sipil 4 (KoNTekS 4)

Sanur-Bali, 2-3 Juni 2010

Universitas Udayana – Universitas Pelita Harapan Jakarta – Universitas Atma Jaya Yogyakarta G - 129

INVESTIGASI VISUAL INISIASI LIQUIFAKSI TANAH KEPASIRAN

MENGGUNAKAN SHAKING TABLE TEST

Silvia.F.Herina

Pusat Litbang Permukiman, Badan Litbang Kementerian Pekerjaan Umum, Jl.Panyawungan,

Cileunyi wetan,Bandung

Email: silvia_herina@yahoo.com

ABSTRAK

Reaksi deposit tanah kepasiran ketika mengalami getaran gempa dapat dikatakan merupakan masalah yang

cukup pelik karena cukup banyak parameter yang harus dipertimbangkan dan fenomenanya yang tidak

dapat dimengerti secara tepat. Kajian di bidang geoteknik menunjukkan getaran gempa dapat menginduksi

tekanan air pori pada tanah pasir yang jenuh. Kenaikan tekanan pori ini menyebabkan berkurangnya ke-

kakuan dan kekuatan tanah yang pada akhirnya dapat menyebabkan keruntuhan yang umum dikenal

sebagai pencairan tanah atau liquifaksi. Liquifaksi ini dapat menyebabkan kegagalan tanah dasar fondasi,

terutama jika kondisi lapisan permukaan sangat berpotensi untuk mencair. Investigasi lapangan maupun

laboratorium dapat dilakukan untuk mengkaji insiasi (dimulainya) kondisi liquifaksi ini, dan berbagai

kekurangan atau kelebihan terdapat pada masing-masing metode. Pada tulisan ini di presentasikan kajian

secara visual insiasi liquifaksi tanah kepasiran menggunakan “shaking table test”, keuntungan dari meja

getar ini adalah dapat di amatinya secara visual fenomena awal liquifaksi dan penurunan tanah, uji ini

merupakan salah satu sistem pengujian vibrasi elektrodinamik dengan kisaran frekwensi getaran mulai

dari frekwensi yang sangat rendah 1–500 Hz. Hasil kajian menunjukkan bahwa ada korelasi antara kondisi

kejenuhan dengan waktu inisiasi liquifaksi. Inisiasi liquifaksi dari sampel yang tampak secara visual

melalui uji shaking table terjadi pada durasi getaran yang sama dengan kenaikan tekanan air pori ekses

maksimal hasil pengukuran pore pressure transducer.

Kata kunci: gempa, liquifaksi, tanah kepasiran, shaking table, tekanan air pori ekses.

1. PENDAHULUAN

Kegagalan tanah pada saat kejadian gempa dapat berupa terpecah dan retaknya permukaan tanah ( surface rupture)

, terdesaknya lapisan bawah ke atas (uplifting), amblesan tanah (subsidence) , pergerakan lereng, atau pencairan

tanah yang dikenal sebagai liquifaksi (liquefaction). Masing-masing pola kegagalan mempunyai fenomena dan

ukuran keruntuhan yang berbeda oleh karenanya tingkat kerusakan struktur dan infrastruktur bangunan yang

diakibatkannya juga berbeda. Selain besaran gempa, potensi kegagalan tersebut juga sangat dipengaruhi oleh sifat,

perilaku dan kondisi lingkungan keberadaan tanah pendukungnya. Bagi tanah kepasiran atau berbutir kasar

umumnya keruntuhan yang terjadi adalah berupa peluruhan tanah / liquifaksi atau gelinciran/gerakan butiran yang

dikenal dengan cyclic mobiliti.

Ahir-akhir ini banyak gejala liquifaksi yang terjadi pada daerah tepi pantai maupun pada daerah yang jauh dari

pantai, seperti yang terlihat pada dampak gempa Yogyakarta Mei 2006 dan gempa Padang September 2009 (

gambar 1 adan b ), kerusakan pasca kegagalan tersebut cukup parah. Hal ini menarik minat banyak para ahli untuk

mengkaji makanisme dan mencari solusi pengendaliannya melalui berbagai model dan analisa 129lterna yang

intinya adalah upaya mengidentifikasi reaksi deposit tanah ketika mengalami getaran. Kajian ini masih terus

berkembang sampai sekarang karena liquifaksi merupakan masalah yang cukup pelik , banyak parameter yang harus

dipertimbangkan dan fenomenanya sulit dimengerti secara tepat.

Ada dua cara utama dalam memperkirakan potensi insiasi atau dimulainya liquifaksi, yakni 1). Melalui uji

lapangan dengan memanfaatkan data hasil uji Standard Penetration Test ( SPT) atau Cone Penetration Test ( CPT)

yang dikenal antara lain metode Seed , metode Shibata dan Terapaksa, serta 2). Melalui uji laboratorium ( cyclic

triaxial, simple shear ). Kedua nya mempunyai kelebihan dan kekurangan , 129ltern koreksi untuk alat pukul (

hammer) pada uji SPT atau normalisasi cone pada uji CPT memerlukan pertimbangan tertentu,

Silvia.F.Herina

Universitas Udayana – Universitas Pelita Harapan Jakarta – Universitas Atma Jaya Yogyakarta G - 130

Uji laboratorium terhadap deposit tanah merupakan pendekatan yang baik dalam menentukan potensi liquifaksi

yang optimal, permasalahannya adalah pada pembuatan model sampel , yakni penentuan beberapa parameter yang

harus diminimalkan dampaknya, antara lain faktor ketidak seragaman sampel, faktor deposisi dan riwayat

lingkungan dari tanah sampel, dan faktor prakonsolidasi. Oleh karena itu biasanya dilakukan uji lapangan dan

laboratorium bersama, analisis diambil melalui rumus-rumus empiris.

Satu hal yang belum dapat diamati dalam kedua uji tersebut adalah peristiwa saat dimulainya kejadian liquifaksi

yang secara visual tampak dari dimulainya perubahan volume tanah pada durasi getaran tertentu, dengan

pemodelan yang berdasarkan pada korelasi antara respon tekanan air pori dan kecenderungan perubahan volume

dari deposit tanah , kajian melalui shaking table dapat digunakan untuk memahami proses ini. Kajian dalam posisi

“tidak teralir” selama peningkatan tekanan pori menunjukkan respon tekanan pori langsung dari deposit.

Dalam tulisan ini dibahas secara ringkas model laboratorium perilaku elemen tanah terhadap liquifaksi dan

model uji yang menggabungkan antara amplifikasi tanah dan kenaikan tekanan air pori dengan menggunakan

shaking table sebagai alternative pemahaman proses kejadian liquifaksi yang dapat diamati secara langsung.

a. b.

Gambar 1 Kejadian liquifaksi pada gempa Yogyakarta 27 Mei 2006

a. Pelelehan pasir pada suatu sumur

b. Liquifaksi pada fondasi bangunan

2. SHAKING TABLE TEST

Uji dinamik dengan meja getar merupakan pengukuran ekperimental yang dapat digunakan untuk pengamatan

secara visual fenomena awal liquifaksi, penurunan dan respon tanah terhadap getaran, dan juga tekanan lateral

tanah. Keuntungan dari uji ini adalah dapat dikontrolnya amplitude dan motion dari getaran. Shaking table yang

digunakan dalam pengujian ini mempunyai sistem vibrasi elektrodinamik model Shinken, G-9130, dengan kisaran

frekwensi getaran mulai dari frekuensi yang sangat rendah, 1 – 500 Hz., pola getarannnya sinusoidal, percepatan

getarannya di atur seragam sehingga perambatan gelombang di lapangan dapat disimulasikan dengan baik.

(gambar 2). Input percepatan dan frekuensi yang berhubungan dengan durasi sebagai pada gambar 3.

Gambar 2, Shaking table Shinken G-9130, dan set-up sampel.

Untuk dapat mengamati gerakan siklik butiran tanah, dilakukan control kecepatan dan model akselerasinya . Beban

terhadap sampel disimulasikan sebagai tegangan geser siklik. Sampel merupakan pasir lepas yang diambil pada

kedalaman 7-7,50m dari daerah Tamblingan, Sanur, Denpasar. Hasil uji sondir ( gambar 4) menunjukkan tanah

kepasiran yang sangat lepas, gradasi ukuran butir menunjukkan ( gambar 5)

Investigasi Visual Inisiasi Liquifaksi Tanah Kepasiran Menggunakan Shaking Table Test

Universitas Udayana – Universitas Pelita Harapan Jakarta – Universitas Atma Jaya Yogyakarta G - 131

Gambar 3, Tipikal input percepatan dan frekuensi vs durasi

Source : Prasad,S.K. et al

Gambar 4, Profil tanah hasil uji CPT

Gambar 5, Gradasi tanah dan batas ukuran rentan liquifaksi dari Tsuchida 1970.

Batas garis merah : sangat rentan

Batas garis kuning : rentan

Silvia.F.Herina

Universitas Udayana – Universitas Pelita Harapan Jakarta – Universitas Atma Jaya Yogyakarta G - 132

Sampel dikondisikan dengan kepadatan relatif + 50%, ketebalan lapis tanah 20 cm, dengan ketebalan yang relatif

kecil ini diasumsikan bahwa percepatan lapis tanah adalah sama dengan percepatan meja getar ( gambar 6). Sampel

kedua merupakan sampel yang dijenuhkan dengan cara pluviasi ( penaburan ) dalam air, tidak dilakukan penjenuhan

pengaliran air karena metode ini akan menyebabkan penurunan permukaan lapisan tanah yang lebih besar

dibandingkan metode pluviasi ( Mancelly.Yohanes, 2002). Kepadatan relatif sampel kedua 55%.

a. b. Gambar 6. Sampel pertama, tanah lepas

a. Sampel sebelum digetar

b. Sampel setelah digetar 25 detik

Percepatan getaran diambil maksimal 0,5 g, (mulai dari 0 bertahap, kemudian konstan pada 0,5 g ). Pada sampel

pertama tidak diambil pengukuran kenaikan tekanan air pori . Pengukuran kepadatan relatif pada bagian tengah

lapisan menunjukkan kenaikan + 10%, dan pada bagian tepi + 5%, tidak tampak gejala liquifaksi sampai pada

durasi getaran lebih dari 25 detik.

Pada sampel kedua (gambar 7) diberikan percepatan yang sama ( 0,5g), pengukuran tekanan air pori dilakukan

dengan pore pressure transducer ( gambar 8) yang dihubungkan dengan kran pada box sampel , tinggi kran 10cm

dari dasar box .

Gambar 7. Sampel kedua , tanah jenuh.

Gambar 8, Pore pressure transducer

Inisiasi liquifaksi mulai tampak pada durasi getaran 17 detik, dan mencapai keseluruhan lapisan tanah pada durasi

23 detik ( gambar 9 a,b, dan c ).

Investigasi Visual Inisiasi Liquifaksi Tanah Kepasiran Menggunakan Shaking Table Test

Universitas Udayana – Universitas Pelita Harapan Jakarta – Universitas Atma Jaya Yogyakarta G - 133

tekanan air pori ekses, ∆u (kPa)

0

0.5

1

1.5

0 10 20 30

waktu, t (detik)

tekan

an

air

po

ri

ekses, u

(kP

a)

tekanan air

pori ekses,

∆u (kPa)

0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30

wakt u, t ( det ik )

tekanan air pori, u (

kPa)T

a. b. c.

Gambar 9, Inisiasi liquifaksi pada sampel kedua

a. Pada saat durasi getaran 17 detik

b. Pada saat durasi getaran 20 detik

c. Pada saat durasi getaran > 23 detik

Pengukuran tekanan pori dan kenaikan tekanan pori ekses vs durasi getaran digambarkan dalam sketsa berikut :

Gambar 10, Tekanan air pori dan kenaikan tekanan pori ekses.

Proses liquifaksi dinyatakan mulai terjadi ketika tekanan air pori ekses sama dengan tegangan vertical efektif

1 ( Seed & Idriss, 1976) , hampir tidak tampak penurunan pada tanah sampel kedua setelah mengalami

liquifaksi.

Gambar 11, Pembuburan tanah merata pada seluruh lapisan

3. EVALUASI & ANALISIS HASIL UJI

Pada tanah yang tidak jenuh, dapat dikatakan tidak tampak inisiasi liquifaksi, tetapi ada gelinciran dan pemadatan,

kenaikan kepadatan relatif pada bagian tengah lapisan yang lebih besar dari bagian tepi kemungkinan disebabkan

adanya “boundary effect” akibat dinding box sampel. Analisa besaran penurunan pada bagian tengah yang

direncanakan ( penghitungan dengan rumusan empiris , Shinken Co) dengan kajian uji mendekati sama, sebagai

dapat dilihat berikut :

Catatan : A = 2.a = 2. percepatan maximum ( g ) ; D = penurunan ; f = frekuensi getaran ( 3 Hz )

Silvia.F.Herina

Universitas Udayana – Universitas Pelita Harapan Jakarta – Universitas Atma Jaya Yogyakarta G - 134

= 2,76 cm , pengamatan hasil uji menunjukkan penurunan + 3 cm.

Pada tanah pasir jenuh proses inisiasi liquifaksi terjadi pada detik ke 17 dan terjadi merata keseluruh permukaan

pada detik ke 23, , pengukuran kenaikan tekanan air pori ekses maksimal tercapai pada detik ke 20, hasil ini

mengindikasikan bahwa pengamatan visual melalui shaking table sinkron dengan pengukuran kenaikan tekanan air

pori. Setelah melewati maksimal, tekanan air pori berkurang secara substansial, kemungkinan tanah sudah

mengalami pelelehan penuh.

(

4. KESIMPULAN DAN SARAN

- Ada hubungan yang signifikan antara tekanan air pori ekses dengan durasi beban getar dan inisiasi

liquifaksi , hal ini penting untuk masukkan dalam perencanaan sistem fondasi di daerah gempa.

- Hasil kajian menunjukkan bahwa shaking table dapat digunakan untuk melakukan pengukuran pendugaan

inisiasi kejadian liquifaksi, namun ada beberapa hal yang harus dikaji secara lebih mendalam, yakni antara

lain keseragaman kepadatan tanah, metode saturasi tanah, dan efek boundary dari box sampel.

- Penggunaan shaking table dapat lebih dikembangkan untuk mengkaji reaksi tanah, soil-structure interaksi ,

sehingga akan sangat mungkin di formulakan rumusan empiris korelasi antara percepatan, amplitudo,

frekuensi getaran dengan perilaku tanah.

DAFTAR PUSTAKA

Casagrande,A.(1976)” Liquefaction and cyclic mobility of sands :a critical review”, Harvard Soil Mechanics Series

88, Harvard University, Cambridge, Massachusetts

I.M.Idriss and R.W. Boulanger, “Semi-Empirical Procedure for Evaluating Liquefaction Potential During

Earthquakes” , 2004

Johannes Mancelly,” Simulasi Mekanisme Liquifaksi menggunakan shaking table”, tesis Pasca Sarjana, Unika

Parahyangan, 2002

Kramer, Steven.L,” Geotechnical Earthquake Engineering”, Prentice-Hall, Inc, 1996

M.K. Yegian and R.V.Whitman , “Soil Liquefaction Analysis Based on Field Observations”

Peacock, W.Hand Seed, H.B, (1968),” Sand Liquefaction under Cyclic Loading Simple Shear Conditions,” Journal

of Soil Mechanics Foundation Division, ASCE, Vol 94, No.SM3,pp 689-708.,

Prasad,S.K et al, “ Shaking table tests in earthquake geotechnical engineering “, Current Science Vol 87, No.10, 25

November 2004.

Rahardjo,Paulus,P.(1993)” Evaluation of Liquefaction Potential, International Advanced Course on

EarthquakeEnginering for Building Engineers, JICA-RIHS

Sherif Elfass, Gary Norris, “Soil Liquefaction-Instability during Earthquakes”

Shinken Co, “ Instruction Manual, Vibration Testing System with Horizontal Slip Table “.G-9130

Sianto,Paulus, ” Prediksi Tekanan Air Pori Ekses dan Penurunan akibat Liquifaksi pada Tanah Pasir saat Gempa, “

Tesis Pasca Sarjana Unpar, 2002

Seed,H.B, (1976) ,” Liquefaction Problems in Geotechnical Engineering “, Annual Convention and Exposition,

Philadelphia, ASCE

Vaid,Y.P. and Chern,J.C (1985),” Cyclic and monotonic undrained response of saturated sands”, in V.Khosia

ed.Advances in the Art of Testing Soils under Cyclic Conditions, ASCE, New York,pp.120-147