Dr. Ir. Adrin Tohari, M.EngPusat Penelitian Geoteknologi-LIPI

Jl. Sangkuriang, Bandung 40135

Rekayasa Geoteknik untuk Mitigasi

Bencana Gempabumi

Fakultas Teknik, Teknik Geofisika, Universitas Syah Kuala, Banda Aceh, 25 Nopmeber 2013

LIPI

APA ITU LIKUIFAKSI….?

PENGERTIAN LIKUIFAKSI

“Likuifaksi adalah fenomena dimana masa tanah kehilangan

sebagian besar tahanan geser akibat beban dinamik/ siklik

sehingga mengalir seperti cairan hingga tegangan geser

yang bekerja di masa tanah tersebut sama rendahnya

dengan tahanan geser yang berkurang” (Sladen et al, 1995)

Likuifaksi adalah transformasi “dari kondisi masa padat ke

kondisi mencair sebagai konsekuensi kenaikan tekanan air

pori dan penurunan tegangan efektif akibat beban siklik”

Intensitas dan durasi gempabumio Akselerasi dan durasi goncangan -> regangan geser

(shear strain) -> kontraksi partikel tanah dan tekananair-pori ekses -> likuifaksi.

o Intensitas tinggi dan durasi lama -> potensi likuifaksimeningkat

o Akselerasi, ag > 0.1 g dan ML > 5.0 (Ishihara, 1985)

o Gempabumi Padang, ag = 0.3g, ML = 7.6, dan durasi ≈ 60 detik

Muka airtanah (MAT)o Kondisi muka airtanah dekat permukaan (MAT < 4.0m)

o Tanah tak jenuh air (di atas MAT) tidak akan likuifaksi

o Fluktuasi MAT mempengaruhi potensi likuifaksi.

o Analisis likuifaksi perlu menggunakan muka airtanah tinggi.

Jenis tanaho Ishihara (1985) : deposit pasir halus hingga medium,

dan pasir yang mengandung partikel halus denganplastisitas rendah. Likuifaksi terkadang terjadi padapasir kerikilan.

o Kriteria tanah yang rentan likuifaksi : Persen partikel halus pada 0.005mm <15%

Batas cair (LL) < 35%

Kadar air tanah, w > 0.9 batas cair (LL)

Kepadatan relativeo Tanah tak berkohesi dengan kepadatan relative lepas

rentan terhadap likuikfasi.

o Tanah non plastis lepas akan kontraktif selamagoncangan sehingga menyebabkan pembentukantekanan air pori ekses

Gradasi ukuran partikelo Tanah non plastis tergradasi

uniform lebih rentan terhadaplikuifaksi dibandingkan tanahtergradasi sangat baik (SW).

o Tanah SW mengandung partikelhalus yang mengisi ronggakosong diantara partikel besar, cenderung mengurangi potensikontraksi selama goncangan, sehingga menghasilkan tekananairpori yang lebih kecil

Lingkungan pengendapano Endapan tanah asli yang terbentuk pada lingkungan deposisi

danau, sungai dan laut sangat rentan terhadap likuifaksi.

Tekanan keliling (confining pressure) :o Kerentanan likuifaksi berkurang pada kondisi

tekanan keliling yang besar : Muka airtanah dalam

Lapisan tanah yang dalam

Beban pada permukaan tanah.

o Kedalaman maksimum zona likuifaksi = 15 m.

Bentuk partikelo Tanah yang mengandung bentuk partikel bulat lebih

rentan dibandingkan tanah dengan partikel menyudut. Tanah dengan partikel bulat cenderung untuk mudah mengalami

pemadatan dibandingkan partikel menyudut

Tekanan keliling (confining pressure) :o Kerentanan likuifaksi berkurang pada kondisi tekanan

keliling yang besar : Muka airtanah dalam

Lapisan tanah yang dalam

Beban pada permukaan tanah.

o Kedalaman maksimum zona likuifaksi = 15 m.

Umur dan sementasio Deposit tanah berumur muda (< 500 tahun) lebih rentan

terhadap likuifaksi dibanding deposit tanah yang lebih tua.o Kenaikan ketahanan terhadap likuifaksi disebabkan oleh

kompresi pada partikel tanah menjadi lebih stabil danpembentukan sementasi/ikatan antar partikel.

Lingkungan terdahulu :o Tanah deposit berumur tua yang telah sering mengalami

goncangan akan kurang rentan terhadap likuifaksi dibandigdeposit muda dengan kepadata yang sama (Finn, et al, 1970; Seed et al, 1975)

o Tanah dengan peningkatan rasio konsolidasi berlebih, OCR dan koefisien tekanan tanah lateral, K0 (Seed and Peacock, 1971; Ishihara et al, 1978)

PERSYARATAN UNTUK LIKUIFAKSI

TERJADI…..

1. Jenis tanah lanau/pasir lepas (N-SPT < 30, atau

qc < 100 kg/cm2) berumur < 11.000 tahun

(Holocene)

2. Airtanah dangkal : kedalaman MAT < 12 m)

3. Gempabumi kuat : skala MMI > VI, dan p.g.a >

0.1g

4. Durasi getaran gempabumi lama (lebih dari 1

menit)

JENIS-JENIS LIKUIFAKSI ……..

DAMPAK BAHAYA LIKUIFAKSI…….

MEMPERLAMBAT PROSES EVAKUASI DAN REHABILITASI

PASCA GEMPABUMI

1. Landasan pesawat terbang (runway)

2. Fasilitas pelabuhan

3. Jalan raya dan jalan pedesaan.

4. Jaringan pipa bawah tanah: air bersih, gas dan listrik.

BAHAYA LIKUIFAKSI FOKUS KEPADA DAMPAK

Bahaya likuifaksi tidak sedashyat bahaya gempabumi, tetapi

dampak kerusakan terfokus kepada infrastruktur penunjang

kegiatan respon kondisi darurat (emergency response)

pasca gempabumi:

DAMPAK BAHAYA LIKUIFAKSI

KERUSAKAN INFRASTRUKTUR AKIBAT LIKUIFAKSI DAPAT MENGAKIBATKAN KRISIS AIR, GAS, BBM DAN LISTRIK……..

Kerusakan bangunan akibat

pergerakan pondasi dan

retakan ketika lapisan tanah

berpindah

Perpindahan lapisan tanah

dapat mengakibatkan jalan

dan rel kereta api

melengkung

Jaringan pipa air minum

dan gas dapat pecah di

bagian sambungan di

sekitar daerah likuifaksi

Semburan pasir mungkin

terjadi di permukaan tanah yg

menunjukkan bahwa

likuifaksi telah terjadi

Muka air

tanah

PELAJARAN BERHARGA DARI GEMPA

PADANG 30 SEPTEMBER 2009

1. Masyarakat mengira fenomena

semburan air dan pasir dari

sumur dan rekahan di permukaan

tanah merupakan tsunami,

sehingga mereka melarikan diri

ketika melihat fenomena ini.

2. Peristiwa semburan pasir

menyebabkan sumur penduduk

tersumbat oleh pasir atau lumpur

dan putusnya pipa distribusi air

bersih PDAM sehingga

mengakibatkan krisis air bersih.

METODE INVESTIGASI LAPANGAN

BAHAYA LIKUIFAKSI

Metode investigasi:

Standard Penetration Test (SPT) => ASTM D1586

Cone Penetration Test (CPT/ sondir) => ASTM D

3441

Kedalaman investigasi potensi likuifasi > 15 m dari

permukaan tanah.

....Apabila suatu struktur bangunan menggunakan

pondasi dalam (tiang pancang/ tiang bor), maka

investigasi perlu dilakukan 6 m melebihi dasar pondasi

dalam tersebut….

EVALUASI BAHAYA LIKUIFAKSI

BERDASARKAN METODE CPT

Kelebihan metode CPT dibandingkan metode SPT:

Data/ profil tahanan tanah terhadap penetrasi yang

menerus => interpretasi stratigrafi lapisan tanah

Pengujian lebih cepat dan ekonomis dibandingkan

pemboran dan uji laboratorium

Keterbatasan metode CPT :

Tidak menyediakan contoh tanah untuk uji laboratorium

Hanya memberikan jenis prilaku tanah bukan Tidak

jenis tanah aktual.

Kedalaman pengujian dibatasi oleh lapisan tanah

kerikilan.

PROSEDUR EVALUASI BAHAYA

LIKUIFAKSI BERDASARKAN DATA CPT

1. Evaluasi kondisi geologi tanah termasuk jenis tanah,

stratigrafi, muka airtanah, geometri tapak, dan kondisi

hidrologis lainnya.

2. Perhitungan kondisi tegangan statis pada lokasi

kedalaman tertentu sebelum gempa (tegangan vertikal

efektif, sv’ dan tegangan geser horizontal, thv).

Keberadaan thv dapat mengurangi sv’.

3. Pemilihan percepatan gempa pada batuan dasar dan

permukaan tanah maksimum (metode deterministik atau

probabilistik)

PROSEDUR EVALUASI BAHAYA LIKUIFAKSI

BERDASARKAN DATA CPT

4. Perhitungan ratio tegangan siklik akibat beban gempa

dengan metode Seed dan Idriss (1971)

5. Perhitungan ratio tahanan siklik terhadap likuifaksi

berdasarkan data CPT

6. Perhitungan faktor keamanan terhadap likuifaksi (FK)

7. Perhitungan indeks kerentanan likuifaksi, (IL)

RASIO TEGANGAN SIKLIK

(CYCLIC STRESS RATIO, CSR)

Metode Seed dan Idriss (1970)

d

v

v

v

avreq r

g

aCSR

'65.0

' 0

0max

0 s

s

s

t

dimana tav adalah tegangan geser siklik akibat gempabumi

rata-rata, σvo′ adalah tegangan vertikal efektif sebelum

gempabumi, amax adalah percepatan tanah maksimum

(cm/detik), g adalah percepatan gravity (981 cm/detik), σvo

adalah tegangan total vertikal pada kedalaman tertentu, dan rd

adalah faktor pengurangan tegangan berdasarkan

kedalaman.

Kurva Faktor Pengurang Tegangan, rd menurut kedalaman

(menurut Seed dan Idriss, 1971)

rd = 1 – 0.00765z

untuk z < 9.15 m

rd = 1.174 – 0.0267z

untuk 9.15 < z < 23 m

rd = 0.744 – 0.008z

untuk 23 < z < 30 m

ALUR PERHITUNGAN

RASIO TAHANAN SIKLIK

(CRR) BERDASARKAN

DATA CPT (Metode

Robertson dan Wride,

197a, b)

Q adalah tahanan ujung

ternormalisasi terhadap

tegangan total

F adalah friction ratio

ternormalisasi

Ic adalah indeks jenis prilaku

tanah

KCPT adalah faktor koreksi

terhadap partikel halus

1. Tanah halus sensitif

2. Tanah organik - gambut

3. Lempung - lempung lanauan

4. Lempung lanauan – lanau lempungan

5. Lanau pasiran – pasir lanauan

6. Pasir bersih – pasir lanauan

7. Pasir kerikilan – pasir padat

8. Pasir lanauan sangat teguh*

9. Tanah partikel halus sangat teguh*

* Terkonsolidasi berlebih (OC) atau

tersementasi

KURVA INDEKS JENIS PRILAKU TANAH BERDASARKAN

CPT TERNORMALISASI (ROBERTSON DAN WRIDE,

1997a,b)

Tabel Batasan Jenis Prilaku Tanah (Robertson and

Wride 1997a, b)

Indeks Jenis

Prilaku Tanah

Zona Jenis Prilaku Tanah Berat Isi

(kN/m3)

Ic < 1.31 7 Pasir kerikilan hingga pasir

padat

19.5

1.31 < Ic < 2.05 6 Pasir hingga pasir lanauan 19

2.05 < Ic < 2.60 5 Pasir lanauan hingga lanau

pasiran

18.5

2.60 < Ic < 2.95 4 Lanau lempungan hingga

lempung lanauan

18

2.95 < Ic < 3.60 3 Lempung lanauan hingga

lempung

17.5

Ic > 3.60 2 Tanah organik 12.5

CRR UNTUK PASIR BERSIH BERDASARKAN KONDISI

TANAH UNTUK MAGNITUDO GEMPABUMI (Mw) 7.5

KOREKSI TEGANGAN PEMBEBANAN CRR

Koreksi tegangan pembebanan vertikal terhadap CRR7.5 dapat

diperoleh dengan menggunakan formula sebagai berikut:

s KKCRRCRRv 5.7

s KKCRRCRRv 5.7

dimana CRRv adalah

CRR7.5 terkoreksi, K

adalah faktor koreksi untuk

tegangan geser awal (=1.0)

dan Ks adalah faktor

koreksi untuk tegangan pembebanan

KOREKSI BESARAN CRR

CRRv didasarkan pada gempabumi pada besaran 7,5. Untuk

mendapatkan nilai CRR yang terkoreksi besaran gempa

(CRRM) maka digunakan rumus sebagai :

dimana MSF adalah faktor

kelipatan besaran gempa

MSFCRRCRR VM

PERHITUNGAN FAKTOR KEAMANAN TERHADAP

LIKUIFAKSI, FK

Faktor keamanan, FK adalah perbandingan antara CRR dan

CSR yang diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut :

fs

M

CSR

CRRFK

dimana CSRfs adalah rasio tegangan siklik

untuk harga FK yang ditentukan.

FK < 1.0, berpotensi likuifaksi

FK >1.0 tidak berpotensi likuifaksi

Jenis likuifaksi Nilai FK

Penurunan tanah 1.0 – 1.1

Perpindahan lateral 1.0 – 1.3

Tipe lainnya 1.0 – 1.2

EVALUASI PENURUNAN TOTAL AKIBAT GEMPA

PADA LAPISAN JENUH AIR

Penurunan setiap lapisan tanah jenuh air (Ssat) dihasilkan dari

perkalian antara regangan volumetrik (ev) dan ketebalan setiap

lapisan tanah (z):

Ssat = (ev /100).dz

Penurunan total lapisan tanah jenuh air akibat gempa (Stotal) :

d

dasar

sattotal SS

ANALISIS KERENTANAN LIKUIFAKSI

Untuk mengkaji efek dari likuifaksi terhadap infrastruktur,

Iwasaki dkk (1982) mengusulkan sebuah formula yang

memasukkan factor keamanan (FK). Parameter, yang disebut

IL, didapatkan dari:

20

0

dzzFwI L

sFF 1

,5.010 zzw

Dimana, F = 1 – FK untuk FK < 1.0 dan

FK = 0 untuk FK >1.0 dan w(z) = 10 – 0.5z

Nilai IL Tingkat Kerentanan

0 < IL < 5 Rendah (Low)

5 < IL < 15 Menengah (Medium)

IL > 15 Tinggi (High)

West coast Sumatera and south coast Java are susceptible

to big earthquake hazard due to seismic activity in subduction

zone.

West coast Sumatera:

200 - 250 km east of subduction zone.

Historical earthquakes: 1797 (Mw 8.3), 1833 (Mw 8.7 or higher)

Mentawai islands and 1861 (M~8.5) di Nias Islands (Natawidjaja,

2003).

Geological setting: quartenary sediments consisting of sand, silt and

clay of 200 meter thick.

LATAR BELAKANG PENELITIAN

South coast Java:

250 km east of subduction zone.

Historical earthquakes: Mw 7,9 (1994), Mw 6,2 (2006)

Geological setting: quartenary sediments consisting of sand, silt and

clay.

Sumatran fault Zone

INDIAN-AUSTRALIAN

PLATE

EURASIAN PLATE

Jakarta

1881 (7.9)

1941 (7.9)

1797 (M8.4)

1861

(M~8.5)

1907 (~M7.8)

1935 (M7.7)

2000 (M7.8)

2002

1833 (8.9)

2004 (M9.15)

2005 (M 8.7) Currently locked,

Near end of cycle

section

Un known section,

No large eartquakes in

Historical records

Malaysia

2007 (M8.2)

DAERAH PENELITIAN POTENSI

BAHAYA LIKUIFAKSI

1. Banda Aceh City (2006 – 2007)

2. Padang City (2006, 2008-2011)

3.Pariaman (2007)

4.Bengkulu (2007)

5.Cilacap (2007)

6.Jogjakarta (2007 – 2009)

METODOLOGI

Pemboran geoteknik di 9 lokasi hingga

kedalaman 30 m untuk mendapatkan jenis dan

kepadatan lapian tanah

Uji insitu:

SPT, interval setiap1.5 m

CPT sebanyak 28 locations, kedalaman

maximum 30 m

Uji laboratorium: fine content dan berat isi

Analisis potensi likuifaksi (LIQIT 4.7.2)

FIELD INVESTIGATION OF LIQUEFACTION

POTENTIAL

Boring and N-SPT Test

Cone Penetration Test

BA

ND

A A

CE

H C

ITY

PA

DA

NG

CIT

Y

KAJIAN POTENSI LIKUIFAKSI

DI KOTA BANDA ACEH

PETA LOKASI INVESTIGASI GEOTEKNIK

PETA GEOLOGI KOTA BANDA ACEH

NW SE

PENAMPANG GEOTEKNIK (SE – NW)

PENAMPANG GEOTEKNIK (NE – SW)

SW NE

SW NE

CPTU-03 NW CPTU-13Nw CPT-01 CPTU-11NW

NW SE

CPTU-13 NW CPTU-03 NW CPTU-01 NW CPTU-02 NW

PETA MUKA AIRTANAH DANGKAL UNTUK

KOTA BANDA ACEH

PETA PENURUNAN LAPISAN TANAH AKIBAT

LIKUIFAKSI UNTUK KOTA BANDA ACEH

PETA MIKROZONASI KERENTANAN LIKUIFAKSI UNTUK KOTA BANDA ACEH

KAJIAN POTENSI LIKUIFAKSI

DI KOTA PADANG

MAP OF LIQUEFACTION POTENTIAL STUDY IN

PADANG COASTAL AREA

MAP OF ALLUVIAL UNIT DISTRIBUTION IN

PADANG COASTAL AREA

PETA MUKA AIRTANAH DANGKAL UNTUK

DAERAH PESISIR KOTA PADANG

STRATIGRAFI LAPISAN TANAH

Tanggul Hitam

(c)Jondul IV

Sungai Sapih

STRATIGRAFI LAPISAN TANAH BERDASARKAN

DATA CPT

HASIL ANALISIS POTENSI LIKUIFAKSI BERDASARKAN

DATA CPT

1. All the liquefiable

zones correspond to

layers of sand to silty

and a mixture of gravel

and sand.

2. In coastal areas, the

liquefiable zone

become shallower and

thinner toward the

southeast, due to the

presence of clay layer

as cap soil overlying

the sand layer.

3. In inland areas, the

liquefaction potential

becomes less

pronounced toward the

southeast due to the

presence of thicker

fine-grained soil and

denser sand layers.

PETA MIKROZONASI PENURUNAN TANAH

AKIBAT LIKUIFAKSI UNTUK KOTA PADANG

PETA MIKROZONASI KERENTANAN

LIKUIFAKSI UNTUK KOTA PADANG

1. The very high susceptibility areas

concentrate along the shoreline.

2. The extent of high susceptibility areas is

larger in the northwestern part than in

the southeastern part of the city

3. The liquefaction susceptibility also

decreases towards the northeast away

from the coastal line.

PETA MIKROZONASI KERENTANAN LIKUIFAKSI

• It is clear that there is a

good agreement between

the predicted zones and the

sites observed after the

2009 earthquake.

• The areas, such as Koto

Tangah, Padang Utara,

Padang Timur dan Padang

Selatan sub-Districts, where

sand boiling, ground

settlement and lateral

spreading were observed

during the 2009 earthquake,

fall into the high to very high

liquefaction susceptibility

zone.

DEEP PILING FOUNDATION SHALLOW MAT FOUNDATION

0.5

mItoyo Supermarket 7 Eleven Minimarket

Shallow mat foundation is not suitable in loose sand layer to

resist liquefaction-induced settlement hazard as the ground

will experience settlement during a big earthquake.

BAGAIMANA CARA MEMITIGASI…..

1. Hindari daerah rentan likuifaksi

2. Konstruksi bangunan tahan likuifaksi (misalnya dengan

struktur fleksibel, fondasi dalam untuk bangunan tinggi

BAGAIMANA CARA MEMITIGASI…..

3. Ground improvement: untuk meningkatkan kepadatan dan

kekuatan tanah (injeksi semen, kompaksi), mengkontrol

tekanan air-pori tanah (vertical drainage)

TERIMA KASIH ATAS PERHATIANNYA