Mekanika Tanah 1 2017 1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Tanah dan Mekanika Tanah
Dalam pengertian teknik secara umum tanah didefinisikan sebagai
material yang terdiri dari agregat (butiran) mineral padat yang tidak tersementasi
(terikat secara kimia) satu sama lain dan dari bahan bahan organik yang telah
melapuk (yang berpartikel padat) disertai dengan zat cair dan udara yang mengisi
pori diantara partikel-partikel padat tersebut. tanah berguna sebagai bahan
bangunan pada berbagai macam pekerjaan teknik sipil. Disamping itu tanah
berfungsi juga sebagai pendukung pondasi dari bangunan. Jadi seorang ahli teknik
sipil harus juga mempelajari sifat sifat dasar dari tanah, seperti asal usulnya,
penyebaran ukuran butiran, kemampuan mengalirkan air, sifat pemampatan bila
dibebani (compressibility), kekuatan geser, kapasitas daya dukung terhadap beban,
dan lain lain.
Ilmu mekanika tanah (soil mechanic) adalah cabang dari ilmu pengetahuan
yang mempelajari sifat fisik dari tanah dan perilaku massa tanah tersebut bila
menerima berbagai macam gaya. Ilmu rekayasa tanah (soil engineering)
merupakan aplikasi dari prinsip-prinsip mekanika tanah dalam masalah praktis.
Istilah rekayasa geoteknis (geotechnical engineering) didefinisikan sebagai ilmu
pengetahuan dan pelaksanaan dari bagian teknik sipil yang menyangkut material –
material alam yang terdapat pada permukaan bumi. Dalam arti umumnya rekayasa
geoteknik juga mengikutsertakan aplikasi dari prinsip prinsip dasar mekanika
tanah dan mekanika batuan dalam masalah masalah perancangan pondasi.
1.2 Sejarah Perkembangan Mekanika Tanah
Manusia dalam sejarah telah menggunakan tanah sebagai bahan untuk
pengendalian banjir, irigasi, tempat pemakaman, membangun pondasi, dan
sebagai bahan konstruksi untuk bangunan. Sejarah mencatat bahwa peradaban
kuno berkembang di sepanjang tepi sungai, seperti Sungai Nil (Mesir), Tigris dan
Efrat (Mesopotamia), Huang Ho (YellowRiver, Cina), dan Indus (India). Kegiatan
Mekanika Tanah 1
2017
1
pertama terkait dengan irigasi dan pengendalian banjir, seperti yang ditunjukkan
oleh jejak tanggul, bendungan, dan kanal dating pada 2000 SM yang ditemukan di
Mesir kuno, Mesopotamia kuno dan Fertile Crescent, serta sekitar pemukiman
awal Mohenjo Daro dan Harappa di lembah Indus untuk melindungi kota
Mohenjo Dara (sekarang menjadi Pakistan setelah 1947). Selama dinasti Chan di
China (1120 SM to249B.C.) banyak Tanggul yang dibangun untuk keperluan
irigasi. Peradaban Yunani kuno menggunakan pondasi isolated pad footings and
strip-and-raft untuk membangun struktur. Dimulai sekitar 2750 SM, lima
piramida yang paling penting dibangun di Mesir dalam jangka waktu kurang dari
satu abad (Saqqarah, Meidum, Dahshur Selatan dan Utara, dan Cheops). Hal ini
menimbulkan tantangan berat tentang keadaaan fondasi, stabilitas lereng, dan
pembangunan ruang bawah tanah. Dengan kedatangan Buddhisme di Cina selama
Dinasti Han pada 68 Masehi, ribuan pagoda dibangun. Banyak dari struktur ini
dibangun pada lumpur dan lapisan lempung lunak. Dalam beberapa kasus tekanan
pondasi melebihi kapasitas beban-dukung tanah dan dengan demikian
menyebabkan kerusakan struktural yang luas.
Berdasarkan penekanan dan sifat dari penelitian di bidang rekayasa
geoteknik, rentang waktu 1700-1927 dapat dibagi menjadi empat periode utama
(SKEMPTON, 1985): Pra-klasik (1700-1776 M), mekanika tanah klasik -Tahap I
(1776-1856 AD), mekanika tanah klasik-Tahap II (1856-1910), mekanika tanah
modern (1910-1927 M)
1. Periode Mekanika Tanah Prec-lassical (1700 -1776)
Periode ini terkonsentrasi pada studi yang berkaitan dengan kemiringan
alami dan berat unit berbagai jenis tanah, serta teori bumi semi empirical tekanan.
Pada 1717 seorang insinyur kerajaan Perancis, Henri Gautier (1660 -1737),
mempelajari lereng tanah alami
ketika dinaikan dalam tumpukan untuk
merumuskan prosedur desain dari dinding penahan.
Menurut penelitian ini,
kemiringan alami dari pasir kering bersih dan bumi biasa untuk masing
masing adalah 31 dan 45.t idak ada hasil untuk tanah liat yang dilaporkan. Pada
Mekanika Tanah 1
2017
2
1729, Bernard Hutan de Belidor (1671-1761) menerbitkan sebuah buku untuk
insinyur militer dan sipil di Perancis. Dalam buku itu, ia mengusulkan sebuah
teori untuk tekanan tanah lateral pada dinding penahan itu adalah tindak lanjut
hasil pembelajaran Gautier (1717).
Laboratorium pertama hasil uji pada dinding 76 mm. Menahan dinding
yang dibangun dengan pengurukan pasir tahun 1746 oleh seorang insinyur
Perancis, Francois Gadroy (1705-1759), yang mengamati adanya bidang slip di
tanah yang mengalami kerusakan. Studi Gadroy itu kemudian diringkas oleh JJ
Mayniel tahun 1808.
2. Mekanika Tanah Klasik -Tahap I (1776 -1856)
Selama periode ini, sebagian besar dari perkembangan di bidang geoteknik
datang dari insinyur dan ilmuwan di Perancis. Pada periode preclassical, hampir
semua pertimbangan teoritis yang digunakan dalam menghitung tekanan tanah
lateral pada dinding penahan didasarkan pada kerusakan permukaan yang berbasis
di tanah. Dalam makalah yang terkenal ditampilkan pada tahun 1776, Perancis
ilmuwan Charles Augustin Coulomb (1736 -1806) menggunakan prinsip-prinsip
kalkulus untuk menentukan posisi sebenarnya dari permukaan geser dalam tanah
di belakang dinding penahan. Dalam analisis ini, Coulomb menggunakan hukum
gesekan dan kohesi untuk tubuh padat. Pada 1820, kasus khusus dari pekerjaan
Coulomb dipelajari oleh insinyur Perancis Jacques Frederic Francais (1775-1833)
dan oleh mekanik Perancis, profesor Claude Louis Marie Henri Navier (17851836). kasus khusus ini berkaitan dengan backfills miring dan backfills
mendukung biaya tambahan. Pada 1840, Jean Victor Poncelet (1788-1867),
seorang insinyur tentara dan profesor mekanik, diperpanjang teori Coulomb
dengan menyediakan metode grafik untuk menentukan besarnya tekanan tanah
lateral
pada
vertikal
dan
kecenderung
dinding
penahan yang rusak pada permukaan tanah poligonal.
Pada 1846 Alexandre Collin (1.808-1.890), seorang insinyur, memberikan
rincian untuk slip jauh di lereng tanah liat, lereng memotong, dan tanggul. Collin
Mekanika Tanah 1
2017
3
berteori bahwa dalam semua kasus kegagalan terjadi ketika kohesi dimobilisasi
melebihi kohesi ada tanah. Dia juga mengamati bahwa permukaan kegagalan yang
sebenarnya dapat diperkirakan sebagai busur dari cycloids. Akhir tahap I dari
periode mekanika tanah klasik secara umum ditandai oleh tahun (1857) dari
publikasi pertama oleh William John Macquorn Rankine (1820 -1872), seorang
profesor teknik sipil di Universitas Glasgow. Penelitian ini memberikan teori
terkenal pada tekanan bumi dan kesetimbangan massa bumi. Teori Rankine adalah
penyederhanaan teori Coulomb.
3. Mekanika Tanah Klasik -Tahap II (1856 -1910)
Hasil eksperimen dari beberapa tes laboratorium pada pasir muncul dalam
literatur dalam fase ini. Salah satu publikasi paling awal dan paling penting adalah
oleh salah satu insinyur Perancis Henri Philibert Gaspard Darcy (1803-1.858).
Pada
tahun
1856,
ia
menerbitkan
sebuah
studi
pada
permeabilitas
penyaringan pasir. Berdasarkan uji tersebut, Darcy mendefinisikan koefisien
jangka permeabilitas (atau konduktivitas hidrolik) tanah, yang sangat Parameter
berguna dalam geoteknik sampai hari ini. Sir George Howard Darwin (18451912), seorang profesor astronomi, juga melakukan tes laboratorium. Kontribusi
lain yang perlu dicatat, yang diterbitkan pada tahun 1885 oleh Joseph Valentin
Boussinesq (1842-1.929), adalah pengembangan dari teori distribusi tegangan di
bawah
daerah
bantalan, dimuat
dalam
media
homogen
semiinfinite,
elastis, and isotropik. Pada tahun 1887, Osborne Reynolds
(1842-1912)
menunjukkan fenomena dilatency di pasir.
4. Mekanika tanah modern, sesudah 1927
Publikasi Erdbaumechanik auf Bodenphysikalisher Grundlage oleh Karl
Terzaghi pada tahun 1925 melahirkan era baru dalam pengembangan mekanika
tanah. Karl Terzaghi dikenal sebagai bapak mekanika tanah modern. Terzaghi
lahir pada tanggal 2 Oktober 1883 di Praha, yang kemudian menjadi ibukota
provinsi the Austrian Bohemia. Pada 1904 dia lulus dari Technische Hochschule
di Graz, Austria, dengan gelar sarjana di bidang teknik mesin. Setelah lulus ia
Mekanika Tanah 1
2017
4
menjabat satu tahun di tentara Austria. Setelah wajib militer nya, Terzaghi
mempelajari satu tahun lagi, berkonsentrasi pada mata pelajaran geologi. Pada
bulan Januari 1912, ia menerima gelar Doktor Ilmu Teknik dari almamaternya di
Graz. Pada tahun 1916, ia menerima posisi mengajar di Sekolah Imperial Insinyur
di Istanbul. Setelah akhir Perang Dunia I, ia menerima jabatan dosen di Amerika
Robert College di Istanbul (1918-1925). Di sana ia mulai bekerja penelitiannya
pada perilaku tanah dan penyelesaian tanah liat dan pada kegagalan pipa
di dalam pasir di bawah bendungan. The Erdbaumechanik publikasi adalah
hasil utama penelitian ini. Pada tahun 1925, Terzaghi menerima dosen tamu di
Massachusetts Institute ofTechnology, di mana ia bekerja sampai 1929. Selama
waktu itu, ia diakui sebagai pemimpin cabang baru dari teknik sipil yang disebut
mekanika tanah. Pada Oktober 1929, ia kembali ke Eropa untuk menerima
tawaran sebagai professor di Technical University of Vienna, yang menjadi
inspirasi untuk insinyur sipil yang tertarik pada mekanika tanah. Pada tahun 1939,
ia
kembali
ke
Amerika
Serikat
untuk
menjadi
seorang
profesor
di
Harvard Universitas. Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering
(ISSMFE) diadakan di Harvard University pada tahun 1936 yang dipimpin
oleh Karl Terzaghi. Melalui inspirasidan bimbingan dari Terzaghi selama
seperempat abad menghasilkan makalah yang dibawa ke konferensi meliputi
berbagai topik, seperti kekuatan geser, tegangan efektif, pengujian in situ, Dutch
cone penetrometer, pengujian centrifuge, penurunan konsolidasi , tegangan elastis
distribusi, preloading untuk perbaikan tanah, tindakan pembekuan, tanah liat
ekspansif, teori melengkung dari tekanan tanah, dinamika tanah, dan gempa bumi.
Untuk seperempat abad berikutnya, Terzaghi adalah pemberi semangat dan
pembimbing dalam pengembangan mekanika tanah dan geoteknik di seluruh
dunia.
Mekanika Tanah 1
2017
5
Gambar 1.1 Karl Terzaghi
Pada tahun 1985, Ralph Peck menulis bahwa "beberapa orang selama
masa Terzaghi yang tidak setuju bahwa dia tidak hanya pemberi semangat dan
pembimbing dalam mekanika tanah, tapi bahwa ia adalah rumah ide untuk
penelitian dan aplikasi di seluruh dunia. Dalam beberapa tahun ke depan dia akan
terlibat pada proyek-proyek di setiap benua Australia dan Antartika.”
1.3 Ruang Lingkup Mekanika Tanah
Ruang lingkup mekanika tanah sangat luas. Sarjana-sarjana teknik sipil
mempunyai banyak masalah-masalah penting dengan tanah . Antara lain menguji
tanah dan mengklasifikasi serta mengetahui sifat-sifat tanah alami dan macammacamnya.
lmu Mekanika Tanah khususnya dapat membantu memecahkan problemaproblema dalam teknik sipil antara lain:
1. Perencanaan dan pelaksanaan fondasi.
Fondasi merupakan unsur penting untuk semua bangunan teknik sipil. Setiap
bangunan: Gedung, jembatan, jalan raya, terowongan, kanal atau bendungan
dibangun di atas permukaan tanah. Dalam hal ini perlu mengetahui daya dukung
Mekanika Tanah 1
2017
6
tanah, pola distribusi tegangan dalam tanah di bawah daerah pembebanan,
kemungkinan penurunan fondasi, pengaruh/dampak air tanah dan getaran dan
lain-lain.
Macam-macam bentuk fondasi yang sesuai antara lain:
a. Fondasi dangkal
b. Fondasi tiang
c. Fondasi sumuran dll.
Yang tergantung dari tanah dasar, beban dan air tanah yang terdapat pada tanah
tersebut. Pengetahuan tentang penyusutan dan pengembangan tanah di bawah
fondasi tersebut juga sangat perlu.
2. Perencanaan perkerasan.
Perkerasan lentur maupun perkerasan kaku dalam pelaksanaannya tergantung
tanah dasar yang bersangkutan. Tebal perkerasan dan komponennya tergantung
sifat-sifat tanah dasar yang akan ditetapkan sebelum perencanaan dibuat.
Pengetahuan tentang teknik perbaikan tanah seperti kekuatan dan stabilitas tanah
sangat banyak membantu dalam melaksanakan perkerasan pada tanah jelek.
Untuk mengetahui kekuatan tanah biasanya digunakan data-data: C.B.R.,
pemadatan dan daya dukung.
3. Perencanaan bangunan di bawah tanah dan dinding penahan.
Perencanaan dan pembangunan bangunan di bawah tanah dan dinding penahan
merupakan tahap penting untuk teknik sipil. Contoh bangunan di bawah tanah
termasuk di antaranya: Terowongan, gedung di bawah tanah, bangunan drainase
dan jaringan pipa. Contoh dinding penahan antara lain : dinding penahan tanah
gravitasi , sekat penahan tanah berjangkar dan bendungan pengelak. Pengetahuan
tentang interaksi struktur tanah dan pembebanan tanah sangat penting untuk
perencanaan tersebut.
Mekanika Tanah 1
2017
7
4. Perencanaan penggalian dan penimbunan .
Jika permukaan tanah tidak datar, komponen berat tanah condong bergerak ke
bawah dan mungkin stabilitas struktur tanah terganggu. Pengetahuan tentang kuat
geser dan hu bungan sifat-sifat tanah perlu untuk merencanakan kemiringan dan
tinggi timbunan atau galian.
Kemungkinan rembesan air tanah akan mengurangi kekuatan tanah ketika sedang
dilakukan penggalian. Kadang-kadang mungkin perlu mengeringkan air tanah
untuk mempertahankan kekuatan tanah yang ada dan mengurangi gaya rembesan.
Untuk menjaga keruntuhan tanah galian juga diperlukan dinding penguat lateral
atau turap-turap pada kedalaman galian tertentu.
5. Perencanaan bendungan tanah.
Untuk membangun bendungan tanah memerlukan sangat banyak pengetahuan
mekanika tanah . Hal-hal yang perlu diketahui ialah sifatsifat tanah alami antara
lain: lndeks kepadatan, sifat-sifat plastisitas dan berat spesifik, distribusi ukuran
butir (gradasi) tanah, rembesan, konsolidasi dan sifat-sifat pemadatan serta
parameter kuat geser dalam kondisi bermacam-macam pengeringan tanah .
Menentukan kadar air optimum dan berat isi kering maksimum pada proses
pemadatan, sangat penting bagi aspek perencanaan. Sifat-sifat konsolidasi
membantu meramalkan pen urunan bendungan dengan konsekuensi mereduksi
tegangan air pori. Pengaruh rembesan penting diketahui untuk mengamankan
kemantapan lereng tubuh bendungan.
Setelah kita ketahui perilaku atau sifat-sifat tanah tersebut, barulah kita dapat
mengambil keputusan apakah bangunan tersebut layak dibangun atau tidak tanpa
penambahan biaya, misalnya dengan perbaikan tanah dan konstruksi-konstruksi
khusus. Sebab dengan adanya perbaikan tanah, konstruksi khusus akan menambah
besarnya biaya.
Mekanika Tanah 1
2017
8
1.4 Contoh Permasalahan Dalam Mekanika Tanah
Salah satu contoh yang paling terkenal dari masalah yang berkaitan
dengan tanah-daya dukung dalam pembangunan struktur sebelum abad ke-18
adalah Menara Miring Pisa di Italia. Pembangunan menara dimulai pada tahun
1173 dengan Struktur yang beratnya sekitar 15.700 ton dan didukung oleh basis
melingkar berdiameter 20 m (66 kaki). Penyelidikan terbaru menunjukkan bahwa
lapisan tanah liat yang lemah ada pada kedalaman sekitar 11 m (36
kaki) dibawah permukaan tanah, yang menyebabkan menara miring. menjadi
lebih dari 5 m (16,5 ft). Menara ini ditutup pada tahun 1990 karena dikhawatirkan
bahwa baik akan jatuh atau runtuh. Baru-baru ini menara pisa telah tersebut
distabilkan dengan
Mekanika Tanah 1
2017
menggali
tanah
dari
sisi
bawah
utara
menara.
9
BAB II SIFAT-SIFAT FISIK TANAH
2.1
Asal Usul Tanah
Tanah berasal dari pelapukan batuan dengan bantuan organisme,
membentuk tubuh unik yang menutupi batuan. Proses pembentukan tanah dikenal
sebagai pedogenesis. Proses yang unik ini membentuk tanah sebagai tubuh alam
yang terdiri atas lapisan-lapisan atau disebut sebagai horizon tanah. Berdasarkan
asal-usulnya, batuan dapat dibagi menjadi tiga tipe dasar yaitu: batuan beku,
batuan sedimen, dan batuan metamorf. Batuan beku Batuan ini terbentuk dari
magma mendingin. Magma batu mencair jauh di dalam bumi. Magma di kerak
bumi disebut lava. Batuan sedimen dibentuk sebagai didorong bersama-sama atau
disemen oleh berat air dan lapisan-lapisan sedimen di atasnya. Proses
penyelesaian ke lapisan bawah terjadi selama ribuan tahun. Batuan metamorf
adalah batuan yang berasal dari batuan yang sudah ada, seperti batuan beku atau
batuan sedimen, kemudian mengalami perubahan fisik dan kimia sehingga
berbeda sifat dengan sifat batuan induk (asal) nya. Perubahan fisik meliputi
penghancuran butir-butir batuan, bertambah besarnya butir-butir mineral
penyusun batuan, pemipihan butir-butir mineral penyusun batuan, dan sebagainya.
Perubahan kimia berkaitan dengan munculnya mineral baru sebagai akibat
rekristalisasi atau karena adanya tambahan/pengurangan senyawa kimia tertentu.
Faktor penyebab dari proses malihan (proses metamorfosis) adalah adanya
perubahan kondisi tekanan yang tinggi, suhu yang tinggi atau karena sirkulasi
cairan. Tekanan dapat berasal dari gaya beban atau berat batuan yang menindis
atau dari gerak-gerak tektonik lempeng kerak bumi di saat terjadi pembentukan
pegunungan. Kenaikan suhu dapat terjadi karena adanya intrusi magma, cairan
atau gas magma yang menyusup ke kerak bumi lewat retakan-retakan pemanasan
lokal akibat gesekan kerak bumi atau kenaikan suhu yang berkaitan dengan
Gradien geothermis (kenaikan temperature sebagai akibat letaknya yang makin ke
dalam). Dalam proses ini terjadi kristalisasi kembali (rekristalisasi) dengan
dibarengi kenaikan intensitas dan juga perubahan unsur kimia.
Mekanika Tanah 1
2017
10
Gambar 2.1 Siklus Terbentuknya Batuan
2.2
Ukuran Partikel Tanah
Ukuran dari pertikel tanah adalah sangat beragam dengan variasi yang
cukup besar. Tanah umumnya dapat disebut sebagai kerikil, pasir, lanau, lempung,
tergantung pada ukuran partikel yang paling dominan pada tanah tersebut. Untuk
menerangkan tentang tanah berdasarkan ukurang-ukuran partikelnya, beberapa
organisasi telah mengembangkan batasan-batasan ukuran jenis tanah yang telah
dikembangkan MIT (Massachussetts Instute of Tecnology), USDA (U.S.
Departement of agriculture), AASHTO (America Association of State Highway
and Transportation Officials) dan oleh U.S Army Corps of Engineers dan U.S.
Bureau of Reclamation yang kemudian menghasilkan apa yang disebut sebagai
USCS (Unified Soil Classification System).
Mekanika Tanah 1
2017
11
Gambar 2.2 Sistem Penamaan Tanah Berdasarkan Ukuran Butir Menurut
AASHTO dan USCS
1. Kerikil ; mengandung partikel-partikel mineral quartz, feldspar, dan mineralmineral lain.
2. Pasir; mengandung mineral quartz dan feldspar.
3. Lanau
Lanau adalah material yang merupakan peralihan antara lempung dan pasir
halus. Kurang plastis dan lebih mudah ditembus air daripada lempung dan
memperlihatkan sifat dilatansi yang tidak terdapat pada lempung. Dilatansi adalah
sifat yang menunjukkan gejala perubahan isi apabila lanau itu dirubah bentuknya.
Lanau adalah material yang butiran-butirannya lolos saringan no.200. Lanau yang
merupakan butiran halus mempunyai sifat-sifat yang tidak menguntungkan,
seperti:
•
Kuat geser rendah, segera sesudah penerapan beban.
•
Kapilaritas tinggi.
•
Permeabilitas rendah.
•
Kerapatan relatif rendah dan sulit dipadatkan.
Lanau umumnya banyak mengandung air dan berkonsistensi lunak. Tanah
jenis mudah longsor dan sulit untuk digali. Jika berfungsi sebagai pendukung
pondasi, lanau merupakan tanah pendukung yang lemah dengan kapilaritas tinggi.
Tanah ini biasanya tidak plastis dan kuat gesernya rendah bila kering. Pondasi
yang terletak pada tanah lanau harus dirancang dengan sangat hati-hati.
Mekanika Tanah 1
2017
12
4. Lempung
Lempung terdiri dari butiran yang sangat kecil dan menunjukkan sifatsifat plastisitas dan cohesive. Plastisitas adalah sifat yang memungkinkan bentuk
bahan itu berubah-ubah tanpa perubahan isi atau tanpa kembali ke bentuk aslinya,
dan tanpa terjadi retak-retak atau pecah-pecah, sedangkan cohesive menunjukkan
kenyataan bahwa bagian-bagian itu melekat satu sama lainnya. Tanah lempung ini
termasuk kedalam tanah berbutir halus. Tanah lempung dalam mendukung beban
pondasi sangat bergantung pada sejarah geologi, kadar air dan kandungan
mineralnya. Tanah lempung dinyatakan sebagai lunak, sedang, atau kaku,
tergantung dari kadar air seperti yang dinyatakan dalam konsistensi. Pada waktu
kering, tanah ini dapat sangat keras dan menyusut yang disertai retakan. Waktu
basah, kuat geser akan turun dan lempung menjdi mengembang.
2.3
Analisis Mekanik Tanah
Analisis mekanik merupakan penentuan ukuran persentase partikel tanah yang
dinyatakan dalam persen berat total tanah dalam kondisi kering. Trerdapat dua
metode yang digunakan untuk mengetahui distribusi ukuran partikel tanah, yaitu:
-
Analisis saringan ; untuk ukuran partikel berdiameter lebih dari 0,075 mm
-
Analisis hydrometer ; untuk ukuran partikel tanah berdiameter kurang dari
0,075 mm
Tabel 2.1 Ukuran Saringan Menurut Standar U.S
Saringan
no.
4
5
6
7
8
10
12
14
16
18
20
Mekanika Tanah 1
2017
Diameter Lubang Bukaan
(mm)
4,75
4,00
3,35
2,80
2,36
2,00
1,70
1,40
1,18
1,00
0,850
13
25
30
35
40
50
60
70
80
100
120
140
170
200
270
0,710
0,600
0,500
0,425
0,355
0,250
0,212
0,180
0,150
0,125
0,106
0,090
0,075
0,053
Kurva Distribusi Ukuran Butir Tanah
Ada beberapa parameter yang perlu diperhatikan dalam pembuatan kurva
distribusi ukuran butir, yaitu :
1. Ukuran efektif = D10
2. Koefisien Keseragaman (uniform coefficient)
Cu
D10
D60
(2.1)
Cu = Koefisien keseragaman
D60 = Ukuran butir yang sepadan dengan 60% melalui ayakan (yaitu lebih
kecil daripada ukuran tersebut)
3. Koefisien gradasi (Coefficient of gradation)
Cz
2
D30
D60 xD10
(2.2)
Cz = Koefisien gradasi
D60 = Ukuran butir yang sepadan dengan 30% melalui ayakan (yaitu lebih
kecil daripada ukuran tersebut)
Mekanika Tanah 1
2017
14
Gambar 2.3 Kurva Distribusi Ukuran Butir
Contoh :
Berikut ini adalah hasil pengujian ukuran butir
Penyelesaian :
Mekanika Tanah 1
2017
15
Tugas :
1. Diketahui tanah memiliki D60=0,42 mm, D30=0,42 mm, D10=0,42 mm.
Hitunglah koefisien keseragaman dan koefisien gradasi
2. Berikut adalah hasil analisis ayakan
No.Ayakan
Massa tanah yang tertahan (gr)
4
0
10
18,5
20
53,2
40
90,5
60
81,8
100
92,2
200
58,5
pan
26,5
a. Buatlah kurva distribusi ukuran butir (kertas millimeter blok)
b. Tentukan D60, D30, dan D10
c. Hitung koefisien keseragaman
d. Hitung koefisien gradasi
Mekanika Tanah 1
2017
16
3. Berikut adalah hasil analisis ayakan
Ukuran butir
% tanah yang lolos
0,425
100
0,1
92
0,052
84
0,02
62
0,01
46
0,004
32
0,001
22
a. Buatlah kurva distribusi ukuran butir (kertas millimeter blok)
b. Tentukan D60, D30, dan D10
c. Hitung koefisien keseragaman
d. Hitung koefisien gradasi
2.4 Hubungan Antara Jumlah Butir, Air dan Udara Dalam Tanah
Hubungan antara jumlah butir, air dan udara dalam tanah dikenal dengan istilah
diagram tiga phase tanah seperti gambar 2.1.
Gambar 2.4 Diagram Tiga Phase Tanah
Pada umumnya terdapat tiga kondisi tanah,yaitu kondisi natural/alami, kondisi
jenuh (saturated) dan kondisi kering.
Mekanika Tanah 1
2017
17
2.4.1
Hubungan Antara Berat (W) dan Volume Tanah (V)
Pada kondisi alami/ natural, tanah memiliki tiga komponen pembentuk yaitu
butiran tanah, air dan udara.
a) Kondisi Tanah Natural
b) Penampang Struktur Tanah Natural
Gambar 2.5. Elemen Tanah Dalam Kondisi Natural
1. Volume Total Tanah (V) dan Berat Total Tanah (W)
V Vs Vv Vs Vw Va
(2.3)
Dimana :
V = Volume butiran tanah
Vv = Volume pori/rongga
Vw = Volume air dalam pori/rongga
V a = Volume udara di dalam rongga
Diasumsikan berat udara diabaikan (Wa=0), maka diperoleh berat total :
W Ws Ww
Mekanika Tanah 1
2017
(2.4)
18
Dimana :
Ws = Berat butiran tanah (gr)
Ww = Berat air (gr)
2. Angka pori/void ratio (e) merupakan perbandingan antara volume pori/rongga
terhadap volume solid tanah.
Vv
Vs
e
(2.5)
3. Porositas/Porosity (n) merupakan perbandingan antara volume pori terhadap
volume total
n
Vv
V
4.
Derajat Kejenuhan/Degree of Saturation (S) merupakan perbandingan antara
volume air terhadap volume rongga
(2.6)
Vw
.
Vv
S
(2.7)
Biasanya angka pori, porositas dan derajat kejenuhan dinyatakan dalam bentuk
persen
5. Kadar air/Moisture Content (w) merupakan perbandingan berat air terhadap
berat tanah.
w
Ww
Ws
2.4.2
(2.8)
Hubungan Antara Angka Pori dan Porositas
e
n
1 n
(2.9)
n
e
1 e
(2.10)
Mekanika Tanah 1
2017
19
Gambar 2.6 Hubungan Antara Porositas dan Angka Pori
6. Unit berat tanah/unit weight ( ) merupakan perbandingan antara berat tanah
terhadap volume.
W
V
(2.11)
Unit berat tanah dapat juga ditunjukkan dengan persamaan berat tanah, kadar air
dan volume total
W
Ws 1 w
W W Ww
Ws Ws (1 w)
s
V
V
V
V
(2.12)
Terdapat tiga jenis unit berat menurut kondisi tanah, yaitu
-
Unit berat alami tanah ( n ) merupakan Unit berat tanah yang didapatkan pada
saat tanah berada dalam kondisi alami (natural)
n
-
Wn
V
(2.13)
Unit berat jenuh tanah ( s ) merupakan Unit berat tanah yang didapatkan pada
saat tanah berada dalam kondisi jenuh (saturated).
Mekanika Tanah 1
2017
20
sat
-
Wsat Ww Ws
V
V
(2.14)
Unit berat kering tanah ( d ) merupakan Unit berat tanah yang didapatkan
pada saat tanah berada dalam kondisi kering.
d
d
Wd
V
1 w
(2.15)
(2.16)
Satuan unit berat dalam Satuan Inggris = pounds per cubic foot (lb/ft3),
sedangkan dalam satuan SI = kN/m3. Dikarenakan Newton merupakan satuan
turunan, maka penggunaaan densitas tanah ( ) kadang-kadang lebih baik. Satuan
densitas tanah/density ( ) dalam SI adalah kg/m3
M
V
(2.17)
Dimana :
= Densitas (density) tanah (kg/m3)
M = Massa total tanah (kg)
Satuan unit berat air w = 62,4 lb/ft3 = 9,81 kN/m3 =1000 kg/m3 = 1 gr/cm3
2.4.2
Hubungan Antara Unit Berat Tanah ( ) , Angka Pori (e), Kadar Air
(w) dan Berat Jenis (Gs)
Pada hubungan ini, volume butiran tanah (Vs) =1 Berat jenis/Spesific Gravity (Gs)
merupakan perbandingan berat material dengan berat air. Specific gravity dari
butir tanah diperlukan untuk berbagai perhitungan di mekanika tanah. Perhitungan
akurat dapat diperoleh di Laboratorium.
Mekanika Tanah 1
2017
21
Gambar 2.7. Elemen Tanah dengan volume butiran tanah (Vs) =1
Berat butiran tanah dan air dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :
Ws G s w
(2.18)
Ww wWs wGs w
(2.19)
Dimana :
Ws = Berat jenis dari butiran tanah
w = Kadar air
Ww = Unit berat dari air
Berdasarkan persamaan 2.18 dan 2.19 , maka diperoleh persamaan unit berat:
W Ws Ww G s w wGs w 1 wG s w
V
V
1 e
1 e
(2.20)
Dan
d
e
Ws G s w
V
1 e
Gs w
d
1
Mekanika Tanah 1
2017
(2.21)
(2.22)
22
Vw
Ww
w
wGs
w
wGs
(2.23)
Dari definisi derajat kejenuhan (S) diperoleh persamaan :
S
Vw wGs
Vv
e
(2.24)
Se wGs
(2.25)
Untuk contoh tanah dalam kondisi jenuh, rongga/pori secara keseluruhan diisi
oleh air, maka hubungan unit berat dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :
sat
W Ws Ww Gs w e w Gs e w
V
V
1 e
1 e
(2.26)
S = 1, maka
e wGs
(2.27)
Apabila yang diketahui adalah densitas, maka persamaan yang digunakan adalah
hubungan sama dengan persamaan yang digunakan untuk unit berat
Kondisi natural,
Kondisi kering, d
Kondisi jenuh, sat
1 wG s w
(2.28)
1 e
Gs w
1 e
Gs e w
1 e
(2.29)
(2.30)
Pembuktian antara hubungan densitas dan unit berat adalah sebagai berikut :
w
Ww M w .g M w
Ws
Msg
Ms
(2.31)
M w wM s wGs w
Maka, diperoleh densitas sebagai berikut :
M
W Ww Gs w wGs w 1 wGs w
s
Vs Vv
1 e
1 e
V
Mekanika Tanah 1
2017
(2.32)
23
2.4.3
Hubungan Antara Unit Berat Tanah ( ) , Porositas (n), Kadar Air(w)
Persamaan porositas adalah
n
Vv
V
(2.33)
Gambar 2.8. Elemen Tanah dengan Volume Total = 1
Gambar 2.9 Elemen Tanah Pada Saat Kondisi Jenuh dengan Volume Total = 1
Jika V 1 , maka Vs 1 n
Maka diperoleh persamaan untuk berat butiran tanah berat butiran tanah dan berat
air sebagai berikut :
Ws Gs w (1 n)
(2.34)
Ww wWs wGs w (1 n)
(2.35)
Berikut ini adalah beberapa persamaan untuk unit berat
Kondisi
W W Ww Gs w (1 n) wGs w (1 n)
s
Gs w (1 n)(1 w)
V
V
1
Mekanika Tanah 1
2017
natural,
(2.36)
24
Kondisi kering,
W
G (1 n)
(2.37)
Gs w (1 n)
d s s w
V
1
Kondisi jenuh,
W W Ww Gs w (1 n) n w
(2.38)
sat s
(1 n)Gs n w
V
V
1
Derajat kejenuhan untuk contoh tanah jenuh dapat dinyatakan dalam persamaan
berikut :
W
n w
n
(2.39)
w w
Ws Gs w (1 n) (1 n)Gs
2.4.4
Berbagai Hubungan Antar Unit Berat
Berikut ini adalah tabel untuk berbagai macam hubungan Antar Unit Berat Pada
kondisi natural ( , Unit Berat Kondisi Kering d dan Unit Berat Kondisi Jenuh
( s )
Unit Berat Asli (y)
diberikan hubungan
w. Gs . e
(
S . Gs . e
(
Unit Berat kering( yd)
diberikan hubungan
Unit Berat Jenuh (ysat)
diberikan hubungan
)
)
(
(
)
)
)
(
(
)
(
Mekanika Tanah 1
2017
)
(
)(
(
)
]
)
(
)
(
)(
(
)
)
)
[(
e.
(
(
Gs . e
(
)
)
)
(
(
)
)
25
2.4.5
Densitas Relatif (Relative Density), Dr
Densitas relatif biasanya digunakan untuk menggambarkan endapan tanah
Dr
e max e
e max e min
(2.40)
Dimana :
Dr
= Densitas relatif (biasanya dinyatakan dalam %)
emax
= angka pori tanah padat
e
= angka pori in situ tanah
emin
= = angka pori tanah padat
Tabel Deskripsi Kualitas Endapan Tanah
Densitas Relatif (%)
Deskripsi Endapan Tanah
0–5
Sangat lepas
15 – 50
Lepas
50 – 70
Medium
70 – 85
Padat
85 - 100
Sangat padat
Contoh Soal
1. Massa sampel tanah yang memiliki volume 0,0057 m3 adalah 10,5 kg, kadar
air (w) adalah 13% dan berat jenis tanah (Gs) adalah 2,68. Tentukan
a. Densitas tanah asli /bobot isi tanah asli ,
b. Bobot isi tanah kering ,
(kg/m3)
(kg/m3)
c. Angka pori/void ratio , e
d. porositas ,
e. Derajat kejenuhan ,
Mekanika Tanah 1
2017
(%)
26
Penyelesaian :
a. Densitas tanah asli
b. Bobot isi kering tanah
c. Angka Pori
(
)(
)
d. Porositas
e. Berat Jenis Tanah
(
( )
)(
)
= 0,39 %
2. Diketahui tanah jenuh dengan w = 40% dan
unit tanah jenuh dan kering di lb/
= 2.71 . Tentukan berat
dan kN/
Penyelesaian
Diketahui w = 40% dan
Ditanya
= 2,71
dan
Jawab
(
Mekanika Tanah 1
2017
)(
)
27
a. Unit berat tanah jenuh
(
(
)
(
)(
)
(
)(
b. Unit berat tanah kering
Tugas 2 :
(
)(
)
)
)
1. Tanah asli memiliki volume =0,25
, Berat = 30 lb. Ketika telah
dikeringkan, tanah tersebut memiliki berat = 26,1 lb. Berat jenis tanah (Gs)
= 2,63. Hitunglah :
a. Kadar air tanah(%)
b. Unit berat tanah asli (
)
c. Berat kering tanah (lb)
d. Angka pori (%)
e. Porositas (%)
2. Pada keadaan natural, tanah memiliki volume = 0,35
dan berat 39,93
lb. Setelah dikeringkan berat tanah menjadi = 34,53 lb. Jika Gs=2,65.
Hitunglah :
a. Kadar air (%)
b. Unit berat tanah natural (
)
c. Unit berat tanah kering (
)
d. Angka pori
e. Porositas
f. Derajat kejenuhan (%)
3. Massa tanah alami adalah 465 gram dan setelah dikeringkan menggunakan
oven massanya menjadi 405,76 gram. Spesific gravity hasil dari penentuan
Mekanika Tanah 1
2017
28
di Laboratorium adalah 2,68. Jika angka pori tanah asli adalah 0,83.
Tentukan :
a. Density tanah alami di lapangan (
b. Density tanah kering di lapangan (
)
)
c. Berapa jumlah yang harus ditambahkan agar tanah menjadi jenuh (kg)
4. Suatu contoh tanah asli memiliki volume 100cm3 dengan massa = 200 gr.
Setelah dikeringkan di dalam oven selama 24 jam, massanya berkurang
menjadi 160 gr. Apabila Gs=2,68. Hitunglah :
a. Kadar air
b. Angka pori
c. Derajat kejenuhan
2.5 Batas-Batas Kekentalan/Konsistensi Tanah (Atterberg Limits)
Konsistensi tanah merupakan sifat tanah yang dapat menggambarkan
ketahanan dari tanah saat terjadinya adhesi (tarik menarik antar partikel)dan
kohesi (tarik menarik antar partikel dan air) ketika menerima gaya atau tekanan
dari luar yang mempengaruhi perubahan bentuk tanah. Disebut konsistensi karena
dibutuhkan kedudukan fisik tanah pada kadar air tertentu untuk tetap melekat pada
kondisinya. Jika batas konsistensinya dilewati, maka tanah yang sebelumnya
berada pada keadaan padat berubah pada keadaan plastis, semiplastis dan cair.
Artinya berdasarkan kadar air yang dikandung, sifat tanah dapat dibedakan
menjadi empat : solid, semiplastis, plastis dan liquid.
Untuk mengklasifikasikan tanah digunakan distribusi ukuran butir. Namun
pada tanah halus yaitu lanau dan tanah lempung tidak ada hubungan langsung
antara ukuran dan sifatnya. Oleh karena itu, untuk menyatakan sifat dan
mengklasifikasikannya, maka dibuat batas-batas konsistensi yang disebut sebagai
batas-batas Atterberg (Atterberg Limits).
Mekanika Tanah 1
2017
29
Gambar 2.10 Batas-Batas Atterberg
Batas-Batas Atterberg terdiri dari tiga, yaitu :
Batas cair (Liquid limit)
Batas Plastis (Plastic limit)
Batas menyusut (Shrinkage limit)
1. Batas cair (Liquid Limit) = LL
Batas cair adalah kadar air tanah pada batas antara keadaan cair dan keadaan
plastis.
Contoh :
Dari hasil perolehan uji di laboratorium diketahui bahwa
Maka dari hasil uji dapat dibuat kurva aliran perhitungan Batas Cair seperti
berikut
Mekanika Tanah 1
2017
30
Gambar 2.11 Kurva Aliran Perhitungan Batas Cair
2. Batas plastis (Plastic Limit) = PL
Batas plastis adalah kadar air suatu contoh tanah antara keadaan plastis dan
semi plastis.
3. lndeks plastis (Plasticity index) = lP
Selisih antara batas cair dan batas plastis, di mana tanah tersebut dalam
keadaan plastis disebut lndeks plastis (Plasticity index).
PI = Ll - PL
(2.41)
4. Indeks kecairan (Liquidity index) = LI
Kadar air tanah dalam keadaan asli biasanya terletak antara batasplastis dan
cair. Suatu angka kadang-kadang dipakai sebagai petunjuk akan keadaan tanah
di tempat aslinya yang disebut "lndeks kecairan ". lndeks kecairan ialah
perbandingan antara selisih kadar air tanah asli dan batas plastis dengan selisih
batas cair dan batas plastis.
LI
w PL w PL
LL PL
PI
(2.42)
Dimana :
w = kadar air tanah asli.
Mekanika Tanah 1
2017
31
Nilai Ll pada umumnya berkisar antara 0 sampai 1. Jika Ll kecil mendekati
nol, maka tanah itu kemungkinan besar agak keras. Jika Ll besar mendekati
satu, kemungkinan besar tanah tersebut lembek.
5. Kekentalan relatif (Relative consistency) = RC atau indeks kekentalan
(Consistency inde x) = lC
Kekentalan relatif menyatakan perbandingan antara selisih batas cair dan
kadar air tanah asl i terhadap indeks plastis.
RC
6.
LL w
PI
(2.43)
lndeks pengaliran (Flow index) = If
lndeks pengaliran adalah kemiringan lengkung aliran, yang menyatakan
perbandingan antara selisih kadar air dengan selisih logaritma jumlah
ketukan/pukulan pada percobaan batas cair.
If
w1 w2
log N 2 log N 1
(2.44)
Dimana :
w1 = kadar air pada jumlah ketukan/pukulan percobaan 1
w2 = kadar air pada jumlah ketukan/pukulan percobaan 2
N1 = jumlah ketukan/pukulan percobaan 1
N2 = jumlah ketukan/pukulan percobaan 2
7. Indeks kekasaran (Thoughness inde x) = 1t
Menyatakan perbandingan antara indeks plastis dengan indeks pengaliran.
It
PI
IF
(2.45)
8. Batas menyusut/mengerut adalah batas di mana tanah dalam keadaan jenuh
yang sudah kering tidak akan menyusut lagi, meskipun dikeringkan terus.
Mekanika Tanah 1
2017
32
Gambar 2.12 Batas Menyusut (Shrinkage Limit)
SL =
( )
( )
w (%) =
( )
(
(2.46)
(2.47)
)
(2.48)
Maka
SL =
(
)
Dimana
(
)
(
)
(
)(
)
(2.49)
wi = kadar air mula-mula(%)
w = perubahan kadar air ( yaitu antara kadar air awal dan kadar air pada
batas menyusut)
M1 = massa tanah mula-mula (gr)
M2 = massa tanah kering (gr )
Vi = Volume tanah mula-mula (cm3)
Vf = Volume tanah kering (cm3)
Pw = densitas tanah air (1 g/cm3)
Parameter lain yang dapat ditentukan dari uji batas penyusutan adalah
perbandingan penyusutan (shrinkage ratio), SR :,
Mekanika Tanah 1
2017
33
SR =
Dimana
)
(
(
)
(
(
)
(2.50)
)
V = perubahan volume (cm3)
M = Perubahan massa (gr)
Hubungan antara SR, SL dan berat jenis/Spesifis Gravity (Gs) dapat dinyatakan
dalam persamaan berikut :
Gs =
(
(2.51)
)
Kegunaan batas-batas Atterberg
Batas cair dan batas plastis tidak secara langsung memberi angka-angka yang
dapat dipakai dalam perhitungan perencanaan. Yang kita peroleh dari percobaan
batas-batas Atterberg ini adalah suatu gambaran secara garis besar sifat-sifat tanah
yang bersangkutan. Tanah yang batas cairnya tinggi biasanya mempunyai sifat
teknik yang buruk, yaitu kekuatannya/daya dukungnya rendah, pemampatannya
(compressibility) tinggi dan sulit memadatkannya.
Contoh soal :
Berikut ini merupakan data hasil uji batas menyusut :
Volume awal tanah dalam keadaan jenuh
= 24,6 cm3
Volume akhir tanah dalam kondisi kering
= 15,9 cm3
Massa awal dalam kondisi jenuh
= 44 g
Massa akhir dalam kondisi kering
= 30,1 g
Hitunglah batas menyusut dari tanah tersebut!
Penyelesaian:
SL = (
M1 = 44 g
M2 = 30,1 g
SL = (
)(
)
(
Vi = 24,6 cm3
)(
)(
)
Pw = 1 g/cm3
Vf = 15,9 cm3
)(
Mekanika Tanah 1
2017
)
(
) ( )(
) = 46,18 – 28,9 = 17,28%
34
Tugas
1. Diketahui data-data percobaan batas cair dan batas plastis
sebagai
berikut:
Jumlah pukulan
Kadar air (%)
15
42,00
20
40,80
28
39,10
36
37,90
Batas plastis : PL = 18,70
a. Gambarkan kurva aliran batas cair dan tentukan berapa batas cair tanah
dari diagram tersebut!
b. Berapa harga indeks plastisitas tanah tersebut!
2. Diketahui data-data percobaan batas cair dan batas plastis sebagai berikut
:
Jumlah pukulan
Kadar air (%)
17
42,10
22
39,20
27
36,20
32
34,10
Batas plastis : PL = 18,70
a. Gambarkan kurva aliran batas cair dan tentukan berapa batas cair tanah
dari diagram tersebut!
b. Berapa harga indeks plastisitas tanah tersebut!
Mekanika Tanah 1
2017
35
1.1 Tanah dan Mekanika Tanah
Dalam pengertian teknik secara umum tanah didefinisikan sebagai
material yang terdiri dari agregat (butiran) mineral padat yang tidak tersementasi
(terikat secara kimia) satu sama lain dan dari bahan bahan organik yang telah
melapuk (yang berpartikel padat) disertai dengan zat cair dan udara yang mengisi
pori diantara partikel-partikel padat tersebut. tanah berguna sebagai bahan
bangunan pada berbagai macam pekerjaan teknik sipil. Disamping itu tanah
berfungsi juga sebagai pendukung pondasi dari bangunan. Jadi seorang ahli teknik
sipil harus juga mempelajari sifat sifat dasar dari tanah, seperti asal usulnya,
penyebaran ukuran butiran, kemampuan mengalirkan air, sifat pemampatan bila
dibebani (compressibility), kekuatan geser, kapasitas daya dukung terhadap beban,
dan lain lain.
Ilmu mekanika tanah (soil mechanic) adalah cabang dari ilmu pengetahuan
yang mempelajari sifat fisik dari tanah dan perilaku massa tanah tersebut bila
menerima berbagai macam gaya. Ilmu rekayasa tanah (soil engineering)
merupakan aplikasi dari prinsip-prinsip mekanika tanah dalam masalah praktis.
Istilah rekayasa geoteknis (geotechnical engineering) didefinisikan sebagai ilmu
pengetahuan dan pelaksanaan dari bagian teknik sipil yang menyangkut material –
material alam yang terdapat pada permukaan bumi. Dalam arti umumnya rekayasa
geoteknik juga mengikutsertakan aplikasi dari prinsip prinsip dasar mekanika
tanah dan mekanika batuan dalam masalah masalah perancangan pondasi.
1.2 Sejarah Perkembangan Mekanika Tanah
Manusia dalam sejarah telah menggunakan tanah sebagai bahan untuk
pengendalian banjir, irigasi, tempat pemakaman, membangun pondasi, dan
sebagai bahan konstruksi untuk bangunan. Sejarah mencatat bahwa peradaban
kuno berkembang di sepanjang tepi sungai, seperti Sungai Nil (Mesir), Tigris dan
Efrat (Mesopotamia), Huang Ho (YellowRiver, Cina), dan Indus (India). Kegiatan
Mekanika Tanah 1
2017
1
pertama terkait dengan irigasi dan pengendalian banjir, seperti yang ditunjukkan
oleh jejak tanggul, bendungan, dan kanal dating pada 2000 SM yang ditemukan di
Mesir kuno, Mesopotamia kuno dan Fertile Crescent, serta sekitar pemukiman
awal Mohenjo Daro dan Harappa di lembah Indus untuk melindungi kota
Mohenjo Dara (sekarang menjadi Pakistan setelah 1947). Selama dinasti Chan di
China (1120 SM to249B.C.) banyak Tanggul yang dibangun untuk keperluan
irigasi. Peradaban Yunani kuno menggunakan pondasi isolated pad footings and
strip-and-raft untuk membangun struktur. Dimulai sekitar 2750 SM, lima
piramida yang paling penting dibangun di Mesir dalam jangka waktu kurang dari
satu abad (Saqqarah, Meidum, Dahshur Selatan dan Utara, dan Cheops). Hal ini
menimbulkan tantangan berat tentang keadaaan fondasi, stabilitas lereng, dan
pembangunan ruang bawah tanah. Dengan kedatangan Buddhisme di Cina selama
Dinasti Han pada 68 Masehi, ribuan pagoda dibangun. Banyak dari struktur ini
dibangun pada lumpur dan lapisan lempung lunak. Dalam beberapa kasus tekanan
pondasi melebihi kapasitas beban-dukung tanah dan dengan demikian
menyebabkan kerusakan struktural yang luas.
Berdasarkan penekanan dan sifat dari penelitian di bidang rekayasa
geoteknik, rentang waktu 1700-1927 dapat dibagi menjadi empat periode utama
(SKEMPTON, 1985): Pra-klasik (1700-1776 M), mekanika tanah klasik -Tahap I
(1776-1856 AD), mekanika tanah klasik-Tahap II (1856-1910), mekanika tanah
modern (1910-1927 M)
1. Periode Mekanika Tanah Prec-lassical (1700 -1776)
Periode ini terkonsentrasi pada studi yang berkaitan dengan kemiringan
alami dan berat unit berbagai jenis tanah, serta teori bumi semi empirical tekanan.
Pada 1717 seorang insinyur kerajaan Perancis, Henri Gautier (1660 -1737),
mempelajari lereng tanah alami
ketika dinaikan dalam tumpukan untuk
merumuskan prosedur desain dari dinding penahan.
Menurut penelitian ini,
kemiringan alami dari pasir kering bersih dan bumi biasa untuk masing
masing adalah 31 dan 45.t idak ada hasil untuk tanah liat yang dilaporkan. Pada
Mekanika Tanah 1
2017
2
1729, Bernard Hutan de Belidor (1671-1761) menerbitkan sebuah buku untuk
insinyur militer dan sipil di Perancis. Dalam buku itu, ia mengusulkan sebuah
teori untuk tekanan tanah lateral pada dinding penahan itu adalah tindak lanjut
hasil pembelajaran Gautier (1717).
Laboratorium pertama hasil uji pada dinding 76 mm. Menahan dinding
yang dibangun dengan pengurukan pasir tahun 1746 oleh seorang insinyur
Perancis, Francois Gadroy (1705-1759), yang mengamati adanya bidang slip di
tanah yang mengalami kerusakan. Studi Gadroy itu kemudian diringkas oleh JJ
Mayniel tahun 1808.
2. Mekanika Tanah Klasik -Tahap I (1776 -1856)
Selama periode ini, sebagian besar dari perkembangan di bidang geoteknik
datang dari insinyur dan ilmuwan di Perancis. Pada periode preclassical, hampir
semua pertimbangan teoritis yang digunakan dalam menghitung tekanan tanah
lateral pada dinding penahan didasarkan pada kerusakan permukaan yang berbasis
di tanah. Dalam makalah yang terkenal ditampilkan pada tahun 1776, Perancis
ilmuwan Charles Augustin Coulomb (1736 -1806) menggunakan prinsip-prinsip
kalkulus untuk menentukan posisi sebenarnya dari permukaan geser dalam tanah
di belakang dinding penahan. Dalam analisis ini, Coulomb menggunakan hukum
gesekan dan kohesi untuk tubuh padat. Pada 1820, kasus khusus dari pekerjaan
Coulomb dipelajari oleh insinyur Perancis Jacques Frederic Francais (1775-1833)
dan oleh mekanik Perancis, profesor Claude Louis Marie Henri Navier (17851836). kasus khusus ini berkaitan dengan backfills miring dan backfills
mendukung biaya tambahan. Pada 1840, Jean Victor Poncelet (1788-1867),
seorang insinyur tentara dan profesor mekanik, diperpanjang teori Coulomb
dengan menyediakan metode grafik untuk menentukan besarnya tekanan tanah
lateral
pada
vertikal
dan
kecenderung
dinding
penahan yang rusak pada permukaan tanah poligonal.
Pada 1846 Alexandre Collin (1.808-1.890), seorang insinyur, memberikan
rincian untuk slip jauh di lereng tanah liat, lereng memotong, dan tanggul. Collin
Mekanika Tanah 1
2017
3
berteori bahwa dalam semua kasus kegagalan terjadi ketika kohesi dimobilisasi
melebihi kohesi ada tanah. Dia juga mengamati bahwa permukaan kegagalan yang
sebenarnya dapat diperkirakan sebagai busur dari cycloids. Akhir tahap I dari
periode mekanika tanah klasik secara umum ditandai oleh tahun (1857) dari
publikasi pertama oleh William John Macquorn Rankine (1820 -1872), seorang
profesor teknik sipil di Universitas Glasgow. Penelitian ini memberikan teori
terkenal pada tekanan bumi dan kesetimbangan massa bumi. Teori Rankine adalah
penyederhanaan teori Coulomb.
3. Mekanika Tanah Klasik -Tahap II (1856 -1910)
Hasil eksperimen dari beberapa tes laboratorium pada pasir muncul dalam
literatur dalam fase ini. Salah satu publikasi paling awal dan paling penting adalah
oleh salah satu insinyur Perancis Henri Philibert Gaspard Darcy (1803-1.858).
Pada
tahun
1856,
ia
menerbitkan
sebuah
studi
pada
permeabilitas
penyaringan pasir. Berdasarkan uji tersebut, Darcy mendefinisikan koefisien
jangka permeabilitas (atau konduktivitas hidrolik) tanah, yang sangat Parameter
berguna dalam geoteknik sampai hari ini. Sir George Howard Darwin (18451912), seorang profesor astronomi, juga melakukan tes laboratorium. Kontribusi
lain yang perlu dicatat, yang diterbitkan pada tahun 1885 oleh Joseph Valentin
Boussinesq (1842-1.929), adalah pengembangan dari teori distribusi tegangan di
bawah
daerah
bantalan, dimuat
dalam
media
homogen
semiinfinite,
elastis, and isotropik. Pada tahun 1887, Osborne Reynolds
(1842-1912)
menunjukkan fenomena dilatency di pasir.
4. Mekanika tanah modern, sesudah 1927
Publikasi Erdbaumechanik auf Bodenphysikalisher Grundlage oleh Karl
Terzaghi pada tahun 1925 melahirkan era baru dalam pengembangan mekanika
tanah. Karl Terzaghi dikenal sebagai bapak mekanika tanah modern. Terzaghi
lahir pada tanggal 2 Oktober 1883 di Praha, yang kemudian menjadi ibukota
provinsi the Austrian Bohemia. Pada 1904 dia lulus dari Technische Hochschule
di Graz, Austria, dengan gelar sarjana di bidang teknik mesin. Setelah lulus ia
Mekanika Tanah 1
2017
4
menjabat satu tahun di tentara Austria. Setelah wajib militer nya, Terzaghi
mempelajari satu tahun lagi, berkonsentrasi pada mata pelajaran geologi. Pada
bulan Januari 1912, ia menerima gelar Doktor Ilmu Teknik dari almamaternya di
Graz. Pada tahun 1916, ia menerima posisi mengajar di Sekolah Imperial Insinyur
di Istanbul. Setelah akhir Perang Dunia I, ia menerima jabatan dosen di Amerika
Robert College di Istanbul (1918-1925). Di sana ia mulai bekerja penelitiannya
pada perilaku tanah dan penyelesaian tanah liat dan pada kegagalan pipa
di dalam pasir di bawah bendungan. The Erdbaumechanik publikasi adalah
hasil utama penelitian ini. Pada tahun 1925, Terzaghi menerima dosen tamu di
Massachusetts Institute ofTechnology, di mana ia bekerja sampai 1929. Selama
waktu itu, ia diakui sebagai pemimpin cabang baru dari teknik sipil yang disebut
mekanika tanah. Pada Oktober 1929, ia kembali ke Eropa untuk menerima
tawaran sebagai professor di Technical University of Vienna, yang menjadi
inspirasi untuk insinyur sipil yang tertarik pada mekanika tanah. Pada tahun 1939,
ia
kembali
ke
Amerika
Serikat
untuk
menjadi
seorang
profesor
di
Harvard Universitas. Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering
(ISSMFE) diadakan di Harvard University pada tahun 1936 yang dipimpin
oleh Karl Terzaghi. Melalui inspirasidan bimbingan dari Terzaghi selama
seperempat abad menghasilkan makalah yang dibawa ke konferensi meliputi
berbagai topik, seperti kekuatan geser, tegangan efektif, pengujian in situ, Dutch
cone penetrometer, pengujian centrifuge, penurunan konsolidasi , tegangan elastis
distribusi, preloading untuk perbaikan tanah, tindakan pembekuan, tanah liat
ekspansif, teori melengkung dari tekanan tanah, dinamika tanah, dan gempa bumi.
Untuk seperempat abad berikutnya, Terzaghi adalah pemberi semangat dan
pembimbing dalam pengembangan mekanika tanah dan geoteknik di seluruh
dunia.
Mekanika Tanah 1
2017
5
Gambar 1.1 Karl Terzaghi
Pada tahun 1985, Ralph Peck menulis bahwa "beberapa orang selama
masa Terzaghi yang tidak setuju bahwa dia tidak hanya pemberi semangat dan
pembimbing dalam mekanika tanah, tapi bahwa ia adalah rumah ide untuk
penelitian dan aplikasi di seluruh dunia. Dalam beberapa tahun ke depan dia akan
terlibat pada proyek-proyek di setiap benua Australia dan Antartika.”
1.3 Ruang Lingkup Mekanika Tanah
Ruang lingkup mekanika tanah sangat luas. Sarjana-sarjana teknik sipil
mempunyai banyak masalah-masalah penting dengan tanah . Antara lain menguji
tanah dan mengklasifikasi serta mengetahui sifat-sifat tanah alami dan macammacamnya.
lmu Mekanika Tanah khususnya dapat membantu memecahkan problemaproblema dalam teknik sipil antara lain:
1. Perencanaan dan pelaksanaan fondasi.
Fondasi merupakan unsur penting untuk semua bangunan teknik sipil. Setiap
bangunan: Gedung, jembatan, jalan raya, terowongan, kanal atau bendungan
dibangun di atas permukaan tanah. Dalam hal ini perlu mengetahui daya dukung
Mekanika Tanah 1
2017
6
tanah, pola distribusi tegangan dalam tanah di bawah daerah pembebanan,
kemungkinan penurunan fondasi, pengaruh/dampak air tanah dan getaran dan
lain-lain.
Macam-macam bentuk fondasi yang sesuai antara lain:
a. Fondasi dangkal
b. Fondasi tiang
c. Fondasi sumuran dll.
Yang tergantung dari tanah dasar, beban dan air tanah yang terdapat pada tanah
tersebut. Pengetahuan tentang penyusutan dan pengembangan tanah di bawah
fondasi tersebut juga sangat perlu.
2. Perencanaan perkerasan.
Perkerasan lentur maupun perkerasan kaku dalam pelaksanaannya tergantung
tanah dasar yang bersangkutan. Tebal perkerasan dan komponennya tergantung
sifat-sifat tanah dasar yang akan ditetapkan sebelum perencanaan dibuat.
Pengetahuan tentang teknik perbaikan tanah seperti kekuatan dan stabilitas tanah
sangat banyak membantu dalam melaksanakan perkerasan pada tanah jelek.
Untuk mengetahui kekuatan tanah biasanya digunakan data-data: C.B.R.,
pemadatan dan daya dukung.
3. Perencanaan bangunan di bawah tanah dan dinding penahan.
Perencanaan dan pembangunan bangunan di bawah tanah dan dinding penahan
merupakan tahap penting untuk teknik sipil. Contoh bangunan di bawah tanah
termasuk di antaranya: Terowongan, gedung di bawah tanah, bangunan drainase
dan jaringan pipa. Contoh dinding penahan antara lain : dinding penahan tanah
gravitasi , sekat penahan tanah berjangkar dan bendungan pengelak. Pengetahuan
tentang interaksi struktur tanah dan pembebanan tanah sangat penting untuk
perencanaan tersebut.
Mekanika Tanah 1
2017
7
4. Perencanaan penggalian dan penimbunan .
Jika permukaan tanah tidak datar, komponen berat tanah condong bergerak ke
bawah dan mungkin stabilitas struktur tanah terganggu. Pengetahuan tentang kuat
geser dan hu bungan sifat-sifat tanah perlu untuk merencanakan kemiringan dan
tinggi timbunan atau galian.
Kemungkinan rembesan air tanah akan mengurangi kekuatan tanah ketika sedang
dilakukan penggalian. Kadang-kadang mungkin perlu mengeringkan air tanah
untuk mempertahankan kekuatan tanah yang ada dan mengurangi gaya rembesan.
Untuk menjaga keruntuhan tanah galian juga diperlukan dinding penguat lateral
atau turap-turap pada kedalaman galian tertentu.
5. Perencanaan bendungan tanah.
Untuk membangun bendungan tanah memerlukan sangat banyak pengetahuan
mekanika tanah . Hal-hal yang perlu diketahui ialah sifatsifat tanah alami antara
lain: lndeks kepadatan, sifat-sifat plastisitas dan berat spesifik, distribusi ukuran
butir (gradasi) tanah, rembesan, konsolidasi dan sifat-sifat pemadatan serta
parameter kuat geser dalam kondisi bermacam-macam pengeringan tanah .
Menentukan kadar air optimum dan berat isi kering maksimum pada proses
pemadatan, sangat penting bagi aspek perencanaan. Sifat-sifat konsolidasi
membantu meramalkan pen urunan bendungan dengan konsekuensi mereduksi
tegangan air pori. Pengaruh rembesan penting diketahui untuk mengamankan
kemantapan lereng tubuh bendungan.
Setelah kita ketahui perilaku atau sifat-sifat tanah tersebut, barulah kita dapat
mengambil keputusan apakah bangunan tersebut layak dibangun atau tidak tanpa
penambahan biaya, misalnya dengan perbaikan tanah dan konstruksi-konstruksi
khusus. Sebab dengan adanya perbaikan tanah, konstruksi khusus akan menambah
besarnya biaya.
Mekanika Tanah 1
2017
8
1.4 Contoh Permasalahan Dalam Mekanika Tanah
Salah satu contoh yang paling terkenal dari masalah yang berkaitan
dengan tanah-daya dukung dalam pembangunan struktur sebelum abad ke-18
adalah Menara Miring Pisa di Italia. Pembangunan menara dimulai pada tahun
1173 dengan Struktur yang beratnya sekitar 15.700 ton dan didukung oleh basis
melingkar berdiameter 20 m (66 kaki). Penyelidikan terbaru menunjukkan bahwa
lapisan tanah liat yang lemah ada pada kedalaman sekitar 11 m (36
kaki) dibawah permukaan tanah, yang menyebabkan menara miring. menjadi
lebih dari 5 m (16,5 ft). Menara ini ditutup pada tahun 1990 karena dikhawatirkan
bahwa baik akan jatuh atau runtuh. Baru-baru ini menara pisa telah tersebut
distabilkan dengan
Mekanika Tanah 1
2017
menggali
tanah
dari
sisi
bawah
utara
menara.
9
BAB II SIFAT-SIFAT FISIK TANAH
2.1
Asal Usul Tanah
Tanah berasal dari pelapukan batuan dengan bantuan organisme,
membentuk tubuh unik yang menutupi batuan. Proses pembentukan tanah dikenal
sebagai pedogenesis. Proses yang unik ini membentuk tanah sebagai tubuh alam
yang terdiri atas lapisan-lapisan atau disebut sebagai horizon tanah. Berdasarkan
asal-usulnya, batuan dapat dibagi menjadi tiga tipe dasar yaitu: batuan beku,
batuan sedimen, dan batuan metamorf. Batuan beku Batuan ini terbentuk dari
magma mendingin. Magma batu mencair jauh di dalam bumi. Magma di kerak
bumi disebut lava. Batuan sedimen dibentuk sebagai didorong bersama-sama atau
disemen oleh berat air dan lapisan-lapisan sedimen di atasnya. Proses
penyelesaian ke lapisan bawah terjadi selama ribuan tahun. Batuan metamorf
adalah batuan yang berasal dari batuan yang sudah ada, seperti batuan beku atau
batuan sedimen, kemudian mengalami perubahan fisik dan kimia sehingga
berbeda sifat dengan sifat batuan induk (asal) nya. Perubahan fisik meliputi
penghancuran butir-butir batuan, bertambah besarnya butir-butir mineral
penyusun batuan, pemipihan butir-butir mineral penyusun batuan, dan sebagainya.
Perubahan kimia berkaitan dengan munculnya mineral baru sebagai akibat
rekristalisasi atau karena adanya tambahan/pengurangan senyawa kimia tertentu.
Faktor penyebab dari proses malihan (proses metamorfosis) adalah adanya
perubahan kondisi tekanan yang tinggi, suhu yang tinggi atau karena sirkulasi
cairan. Tekanan dapat berasal dari gaya beban atau berat batuan yang menindis
atau dari gerak-gerak tektonik lempeng kerak bumi di saat terjadi pembentukan
pegunungan. Kenaikan suhu dapat terjadi karena adanya intrusi magma, cairan
atau gas magma yang menyusup ke kerak bumi lewat retakan-retakan pemanasan
lokal akibat gesekan kerak bumi atau kenaikan suhu yang berkaitan dengan
Gradien geothermis (kenaikan temperature sebagai akibat letaknya yang makin ke
dalam). Dalam proses ini terjadi kristalisasi kembali (rekristalisasi) dengan
dibarengi kenaikan intensitas dan juga perubahan unsur kimia.
Mekanika Tanah 1
2017
10
Gambar 2.1 Siklus Terbentuknya Batuan
2.2
Ukuran Partikel Tanah
Ukuran dari pertikel tanah adalah sangat beragam dengan variasi yang
cukup besar. Tanah umumnya dapat disebut sebagai kerikil, pasir, lanau, lempung,
tergantung pada ukuran partikel yang paling dominan pada tanah tersebut. Untuk
menerangkan tentang tanah berdasarkan ukurang-ukuran partikelnya, beberapa
organisasi telah mengembangkan batasan-batasan ukuran jenis tanah yang telah
dikembangkan MIT (Massachussetts Instute of Tecnology), USDA (U.S.
Departement of agriculture), AASHTO (America Association of State Highway
and Transportation Officials) dan oleh U.S Army Corps of Engineers dan U.S.
Bureau of Reclamation yang kemudian menghasilkan apa yang disebut sebagai
USCS (Unified Soil Classification System).
Mekanika Tanah 1
2017
11
Gambar 2.2 Sistem Penamaan Tanah Berdasarkan Ukuran Butir Menurut
AASHTO dan USCS
1. Kerikil ; mengandung partikel-partikel mineral quartz, feldspar, dan mineralmineral lain.
2. Pasir; mengandung mineral quartz dan feldspar.
3. Lanau
Lanau adalah material yang merupakan peralihan antara lempung dan pasir
halus. Kurang plastis dan lebih mudah ditembus air daripada lempung dan
memperlihatkan sifat dilatansi yang tidak terdapat pada lempung. Dilatansi adalah
sifat yang menunjukkan gejala perubahan isi apabila lanau itu dirubah bentuknya.
Lanau adalah material yang butiran-butirannya lolos saringan no.200. Lanau yang
merupakan butiran halus mempunyai sifat-sifat yang tidak menguntungkan,
seperti:
•
Kuat geser rendah, segera sesudah penerapan beban.
•
Kapilaritas tinggi.
•
Permeabilitas rendah.
•
Kerapatan relatif rendah dan sulit dipadatkan.
Lanau umumnya banyak mengandung air dan berkonsistensi lunak. Tanah
jenis mudah longsor dan sulit untuk digali. Jika berfungsi sebagai pendukung
pondasi, lanau merupakan tanah pendukung yang lemah dengan kapilaritas tinggi.
Tanah ini biasanya tidak plastis dan kuat gesernya rendah bila kering. Pondasi
yang terletak pada tanah lanau harus dirancang dengan sangat hati-hati.
Mekanika Tanah 1
2017
12
4. Lempung
Lempung terdiri dari butiran yang sangat kecil dan menunjukkan sifatsifat plastisitas dan cohesive. Plastisitas adalah sifat yang memungkinkan bentuk
bahan itu berubah-ubah tanpa perubahan isi atau tanpa kembali ke bentuk aslinya,
dan tanpa terjadi retak-retak atau pecah-pecah, sedangkan cohesive menunjukkan
kenyataan bahwa bagian-bagian itu melekat satu sama lainnya. Tanah lempung ini
termasuk kedalam tanah berbutir halus. Tanah lempung dalam mendukung beban
pondasi sangat bergantung pada sejarah geologi, kadar air dan kandungan
mineralnya. Tanah lempung dinyatakan sebagai lunak, sedang, atau kaku,
tergantung dari kadar air seperti yang dinyatakan dalam konsistensi. Pada waktu
kering, tanah ini dapat sangat keras dan menyusut yang disertai retakan. Waktu
basah, kuat geser akan turun dan lempung menjdi mengembang.
2.3
Analisis Mekanik Tanah
Analisis mekanik merupakan penentuan ukuran persentase partikel tanah yang
dinyatakan dalam persen berat total tanah dalam kondisi kering. Trerdapat dua
metode yang digunakan untuk mengetahui distribusi ukuran partikel tanah, yaitu:
-
Analisis saringan ; untuk ukuran partikel berdiameter lebih dari 0,075 mm
-
Analisis hydrometer ; untuk ukuran partikel tanah berdiameter kurang dari
0,075 mm
Tabel 2.1 Ukuran Saringan Menurut Standar U.S
Saringan
no.
4
5
6
7
8
10
12
14
16
18
20
Mekanika Tanah 1
2017
Diameter Lubang Bukaan
(mm)
4,75
4,00
3,35
2,80
2,36
2,00
1,70
1,40
1,18
1,00
0,850
13
25
30
35
40
50
60
70
80
100
120
140
170
200
270
0,710
0,600
0,500
0,425
0,355
0,250
0,212
0,180
0,150
0,125
0,106
0,090
0,075
0,053
Kurva Distribusi Ukuran Butir Tanah
Ada beberapa parameter yang perlu diperhatikan dalam pembuatan kurva
distribusi ukuran butir, yaitu :
1. Ukuran efektif = D10
2. Koefisien Keseragaman (uniform coefficient)
Cu
D10
D60
(2.1)
Cu = Koefisien keseragaman
D60 = Ukuran butir yang sepadan dengan 60% melalui ayakan (yaitu lebih
kecil daripada ukuran tersebut)
3. Koefisien gradasi (Coefficient of gradation)
Cz
2
D30
D60 xD10
(2.2)
Cz = Koefisien gradasi
D60 = Ukuran butir yang sepadan dengan 30% melalui ayakan (yaitu lebih
kecil daripada ukuran tersebut)
Mekanika Tanah 1
2017
14
Gambar 2.3 Kurva Distribusi Ukuran Butir
Contoh :
Berikut ini adalah hasil pengujian ukuran butir
Penyelesaian :
Mekanika Tanah 1
2017
15
Tugas :
1. Diketahui tanah memiliki D60=0,42 mm, D30=0,42 mm, D10=0,42 mm.
Hitunglah koefisien keseragaman dan koefisien gradasi
2. Berikut adalah hasil analisis ayakan
No.Ayakan
Massa tanah yang tertahan (gr)
4
0
10
18,5
20
53,2
40
90,5
60
81,8
100
92,2
200
58,5
pan
26,5
a. Buatlah kurva distribusi ukuran butir (kertas millimeter blok)
b. Tentukan D60, D30, dan D10
c. Hitung koefisien keseragaman
d. Hitung koefisien gradasi
Mekanika Tanah 1
2017
16
3. Berikut adalah hasil analisis ayakan
Ukuran butir
% tanah yang lolos
0,425
100
0,1
92
0,052
84
0,02
62
0,01
46
0,004
32
0,001
22
a. Buatlah kurva distribusi ukuran butir (kertas millimeter blok)
b. Tentukan D60, D30, dan D10
c. Hitung koefisien keseragaman
d. Hitung koefisien gradasi
2.4 Hubungan Antara Jumlah Butir, Air dan Udara Dalam Tanah
Hubungan antara jumlah butir, air dan udara dalam tanah dikenal dengan istilah
diagram tiga phase tanah seperti gambar 2.1.
Gambar 2.4 Diagram Tiga Phase Tanah
Pada umumnya terdapat tiga kondisi tanah,yaitu kondisi natural/alami, kondisi
jenuh (saturated) dan kondisi kering.
Mekanika Tanah 1
2017
17
2.4.1
Hubungan Antara Berat (W) dan Volume Tanah (V)
Pada kondisi alami/ natural, tanah memiliki tiga komponen pembentuk yaitu
butiran tanah, air dan udara.
a) Kondisi Tanah Natural
b) Penampang Struktur Tanah Natural
Gambar 2.5. Elemen Tanah Dalam Kondisi Natural
1. Volume Total Tanah (V) dan Berat Total Tanah (W)
V Vs Vv Vs Vw Va
(2.3)
Dimana :
V = Volume butiran tanah
Vv = Volume pori/rongga
Vw = Volume air dalam pori/rongga
V a = Volume udara di dalam rongga
Diasumsikan berat udara diabaikan (Wa=0), maka diperoleh berat total :
W Ws Ww
Mekanika Tanah 1
2017
(2.4)
18
Dimana :
Ws = Berat butiran tanah (gr)
Ww = Berat air (gr)
2. Angka pori/void ratio (e) merupakan perbandingan antara volume pori/rongga
terhadap volume solid tanah.
Vv
Vs
e
(2.5)
3. Porositas/Porosity (n) merupakan perbandingan antara volume pori terhadap
volume total
n
Vv
V
4.
Derajat Kejenuhan/Degree of Saturation (S) merupakan perbandingan antara
volume air terhadap volume rongga
(2.6)
Vw
.
Vv
S
(2.7)
Biasanya angka pori, porositas dan derajat kejenuhan dinyatakan dalam bentuk
persen
5. Kadar air/Moisture Content (w) merupakan perbandingan berat air terhadap
berat tanah.
w
Ww
Ws
2.4.2
(2.8)
Hubungan Antara Angka Pori dan Porositas
e
n
1 n
(2.9)
n
e
1 e
(2.10)
Mekanika Tanah 1
2017
19
Gambar 2.6 Hubungan Antara Porositas dan Angka Pori
6. Unit berat tanah/unit weight ( ) merupakan perbandingan antara berat tanah
terhadap volume.
W
V
(2.11)
Unit berat tanah dapat juga ditunjukkan dengan persamaan berat tanah, kadar air
dan volume total
W
Ws 1 w
W W Ww
Ws Ws (1 w)
s
V
V
V
V
(2.12)
Terdapat tiga jenis unit berat menurut kondisi tanah, yaitu
-
Unit berat alami tanah ( n ) merupakan Unit berat tanah yang didapatkan pada
saat tanah berada dalam kondisi alami (natural)
n
-
Wn
V
(2.13)
Unit berat jenuh tanah ( s ) merupakan Unit berat tanah yang didapatkan pada
saat tanah berada dalam kondisi jenuh (saturated).
Mekanika Tanah 1
2017
20
sat
-
Wsat Ww Ws
V
V
(2.14)
Unit berat kering tanah ( d ) merupakan Unit berat tanah yang didapatkan
pada saat tanah berada dalam kondisi kering.
d
d
Wd
V
1 w
(2.15)
(2.16)
Satuan unit berat dalam Satuan Inggris = pounds per cubic foot (lb/ft3),
sedangkan dalam satuan SI = kN/m3. Dikarenakan Newton merupakan satuan
turunan, maka penggunaaan densitas tanah ( ) kadang-kadang lebih baik. Satuan
densitas tanah/density ( ) dalam SI adalah kg/m3
M
V
(2.17)
Dimana :
= Densitas (density) tanah (kg/m3)
M = Massa total tanah (kg)
Satuan unit berat air w = 62,4 lb/ft3 = 9,81 kN/m3 =1000 kg/m3 = 1 gr/cm3
2.4.2
Hubungan Antara Unit Berat Tanah ( ) , Angka Pori (e), Kadar Air
(w) dan Berat Jenis (Gs)
Pada hubungan ini, volume butiran tanah (Vs) =1 Berat jenis/Spesific Gravity (Gs)
merupakan perbandingan berat material dengan berat air. Specific gravity dari
butir tanah diperlukan untuk berbagai perhitungan di mekanika tanah. Perhitungan
akurat dapat diperoleh di Laboratorium.
Mekanika Tanah 1
2017
21
Gambar 2.7. Elemen Tanah dengan volume butiran tanah (Vs) =1
Berat butiran tanah dan air dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :
Ws G s w
(2.18)
Ww wWs wGs w
(2.19)
Dimana :
Ws = Berat jenis dari butiran tanah
w = Kadar air
Ww = Unit berat dari air
Berdasarkan persamaan 2.18 dan 2.19 , maka diperoleh persamaan unit berat:
W Ws Ww G s w wGs w 1 wG s w
V
V
1 e
1 e
(2.20)
Dan
d
e
Ws G s w
V
1 e
Gs w
d
1
Mekanika Tanah 1
2017
(2.21)
(2.22)
22
Vw
Ww
w
wGs
w
wGs
(2.23)
Dari definisi derajat kejenuhan (S) diperoleh persamaan :
S
Vw wGs
Vv
e
(2.24)
Se wGs
(2.25)
Untuk contoh tanah dalam kondisi jenuh, rongga/pori secara keseluruhan diisi
oleh air, maka hubungan unit berat dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :
sat
W Ws Ww Gs w e w Gs e w
V
V
1 e
1 e
(2.26)
S = 1, maka
e wGs
(2.27)
Apabila yang diketahui adalah densitas, maka persamaan yang digunakan adalah
hubungan sama dengan persamaan yang digunakan untuk unit berat
Kondisi natural,
Kondisi kering, d
Kondisi jenuh, sat
1 wG s w
(2.28)
1 e
Gs w
1 e
Gs e w
1 e
(2.29)
(2.30)
Pembuktian antara hubungan densitas dan unit berat adalah sebagai berikut :
w
Ww M w .g M w
Ws
Msg
Ms
(2.31)
M w wM s wGs w
Maka, diperoleh densitas sebagai berikut :
M
W Ww Gs w wGs w 1 wGs w
s
Vs Vv
1 e
1 e
V
Mekanika Tanah 1
2017
(2.32)
23
2.4.3
Hubungan Antara Unit Berat Tanah ( ) , Porositas (n), Kadar Air(w)
Persamaan porositas adalah
n
Vv
V
(2.33)
Gambar 2.8. Elemen Tanah dengan Volume Total = 1
Gambar 2.9 Elemen Tanah Pada Saat Kondisi Jenuh dengan Volume Total = 1
Jika V 1 , maka Vs 1 n
Maka diperoleh persamaan untuk berat butiran tanah berat butiran tanah dan berat
air sebagai berikut :
Ws Gs w (1 n)
(2.34)
Ww wWs wGs w (1 n)
(2.35)
Berikut ini adalah beberapa persamaan untuk unit berat
Kondisi
W W Ww Gs w (1 n) wGs w (1 n)
s
Gs w (1 n)(1 w)
V
V
1
Mekanika Tanah 1
2017
natural,
(2.36)
24
Kondisi kering,
W
G (1 n)
(2.37)
Gs w (1 n)
d s s w
V
1
Kondisi jenuh,
W W Ww Gs w (1 n) n w
(2.38)
sat s
(1 n)Gs n w
V
V
1
Derajat kejenuhan untuk contoh tanah jenuh dapat dinyatakan dalam persamaan
berikut :
W
n w
n
(2.39)
w w
Ws Gs w (1 n) (1 n)Gs
2.4.4
Berbagai Hubungan Antar Unit Berat
Berikut ini adalah tabel untuk berbagai macam hubungan Antar Unit Berat Pada
kondisi natural ( , Unit Berat Kondisi Kering d dan Unit Berat Kondisi Jenuh
( s )
Unit Berat Asli (y)
diberikan hubungan
w. Gs . e
(
S . Gs . e
(
Unit Berat kering( yd)
diberikan hubungan
Unit Berat Jenuh (ysat)
diberikan hubungan
)
)
(
(
)
)
)
(
(
)
(
Mekanika Tanah 1
2017
)
(
)(
(
)
]
)
(
)
(
)(
(
)
)
)
[(
e.
(
(
Gs . e
(
)
)
)
(
(
)
)
25
2.4.5
Densitas Relatif (Relative Density), Dr
Densitas relatif biasanya digunakan untuk menggambarkan endapan tanah
Dr
e max e
e max e min
(2.40)
Dimana :
Dr
= Densitas relatif (biasanya dinyatakan dalam %)
emax
= angka pori tanah padat
e
= angka pori in situ tanah
emin
= = angka pori tanah padat
Tabel Deskripsi Kualitas Endapan Tanah
Densitas Relatif (%)
Deskripsi Endapan Tanah
0–5
Sangat lepas
15 – 50
Lepas
50 – 70
Medium
70 – 85
Padat
85 - 100
Sangat padat
Contoh Soal
1. Massa sampel tanah yang memiliki volume 0,0057 m3 adalah 10,5 kg, kadar
air (w) adalah 13% dan berat jenis tanah (Gs) adalah 2,68. Tentukan
a. Densitas tanah asli /bobot isi tanah asli ,
b. Bobot isi tanah kering ,
(kg/m3)
(kg/m3)
c. Angka pori/void ratio , e
d. porositas ,
e. Derajat kejenuhan ,
Mekanika Tanah 1
2017
(%)
26
Penyelesaian :
a. Densitas tanah asli
b. Bobot isi kering tanah
c. Angka Pori
(
)(
)
d. Porositas
e. Berat Jenis Tanah
(
( )
)(
)
= 0,39 %
2. Diketahui tanah jenuh dengan w = 40% dan
unit tanah jenuh dan kering di lb/
= 2.71 . Tentukan berat
dan kN/
Penyelesaian
Diketahui w = 40% dan
Ditanya
= 2,71
dan
Jawab
(
Mekanika Tanah 1
2017
)(
)
27
a. Unit berat tanah jenuh
(
(
)
(
)(
)
(
)(
b. Unit berat tanah kering
Tugas 2 :
(
)(
)
)
)
1. Tanah asli memiliki volume =0,25
, Berat = 30 lb. Ketika telah
dikeringkan, tanah tersebut memiliki berat = 26,1 lb. Berat jenis tanah (Gs)
= 2,63. Hitunglah :
a. Kadar air tanah(%)
b. Unit berat tanah asli (
)
c. Berat kering tanah (lb)
d. Angka pori (%)
e. Porositas (%)
2. Pada keadaan natural, tanah memiliki volume = 0,35
dan berat 39,93
lb. Setelah dikeringkan berat tanah menjadi = 34,53 lb. Jika Gs=2,65.
Hitunglah :
a. Kadar air (%)
b. Unit berat tanah natural (
)
c. Unit berat tanah kering (
)
d. Angka pori
e. Porositas
f. Derajat kejenuhan (%)
3. Massa tanah alami adalah 465 gram dan setelah dikeringkan menggunakan
oven massanya menjadi 405,76 gram. Spesific gravity hasil dari penentuan
Mekanika Tanah 1
2017
28
di Laboratorium adalah 2,68. Jika angka pori tanah asli adalah 0,83.
Tentukan :
a. Density tanah alami di lapangan (
b. Density tanah kering di lapangan (
)
)
c. Berapa jumlah yang harus ditambahkan agar tanah menjadi jenuh (kg)
4. Suatu contoh tanah asli memiliki volume 100cm3 dengan massa = 200 gr.
Setelah dikeringkan di dalam oven selama 24 jam, massanya berkurang
menjadi 160 gr. Apabila Gs=2,68. Hitunglah :
a. Kadar air
b. Angka pori
c. Derajat kejenuhan
2.5 Batas-Batas Kekentalan/Konsistensi Tanah (Atterberg Limits)
Konsistensi tanah merupakan sifat tanah yang dapat menggambarkan
ketahanan dari tanah saat terjadinya adhesi (tarik menarik antar partikel)dan
kohesi (tarik menarik antar partikel dan air) ketika menerima gaya atau tekanan
dari luar yang mempengaruhi perubahan bentuk tanah. Disebut konsistensi karena
dibutuhkan kedudukan fisik tanah pada kadar air tertentu untuk tetap melekat pada
kondisinya. Jika batas konsistensinya dilewati, maka tanah yang sebelumnya
berada pada keadaan padat berubah pada keadaan plastis, semiplastis dan cair.
Artinya berdasarkan kadar air yang dikandung, sifat tanah dapat dibedakan
menjadi empat : solid, semiplastis, plastis dan liquid.
Untuk mengklasifikasikan tanah digunakan distribusi ukuran butir. Namun
pada tanah halus yaitu lanau dan tanah lempung tidak ada hubungan langsung
antara ukuran dan sifatnya. Oleh karena itu, untuk menyatakan sifat dan
mengklasifikasikannya, maka dibuat batas-batas konsistensi yang disebut sebagai
batas-batas Atterberg (Atterberg Limits).
Mekanika Tanah 1
2017
29
Gambar 2.10 Batas-Batas Atterberg
Batas-Batas Atterberg terdiri dari tiga, yaitu :
Batas cair (Liquid limit)
Batas Plastis (Plastic limit)
Batas menyusut (Shrinkage limit)
1. Batas cair (Liquid Limit) = LL
Batas cair adalah kadar air tanah pada batas antara keadaan cair dan keadaan
plastis.
Contoh :
Dari hasil perolehan uji di laboratorium diketahui bahwa
Maka dari hasil uji dapat dibuat kurva aliran perhitungan Batas Cair seperti
berikut
Mekanika Tanah 1
2017
30
Gambar 2.11 Kurva Aliran Perhitungan Batas Cair
2. Batas plastis (Plastic Limit) = PL
Batas plastis adalah kadar air suatu contoh tanah antara keadaan plastis dan
semi plastis.
3. lndeks plastis (Plasticity index) = lP
Selisih antara batas cair dan batas plastis, di mana tanah tersebut dalam
keadaan plastis disebut lndeks plastis (Plasticity index).
PI = Ll - PL
(2.41)
4. Indeks kecairan (Liquidity index) = LI
Kadar air tanah dalam keadaan asli biasanya terletak antara batasplastis dan
cair. Suatu angka kadang-kadang dipakai sebagai petunjuk akan keadaan tanah
di tempat aslinya yang disebut "lndeks kecairan ". lndeks kecairan ialah
perbandingan antara selisih kadar air tanah asli dan batas plastis dengan selisih
batas cair dan batas plastis.
LI
w PL w PL
LL PL
PI
(2.42)
Dimana :
w = kadar air tanah asli.
Mekanika Tanah 1
2017
31
Nilai Ll pada umumnya berkisar antara 0 sampai 1. Jika Ll kecil mendekati
nol, maka tanah itu kemungkinan besar agak keras. Jika Ll besar mendekati
satu, kemungkinan besar tanah tersebut lembek.
5. Kekentalan relatif (Relative consistency) = RC atau indeks kekentalan
(Consistency inde x) = lC
Kekentalan relatif menyatakan perbandingan antara selisih batas cair dan
kadar air tanah asl i terhadap indeks plastis.
RC
6.
LL w
PI
(2.43)
lndeks pengaliran (Flow index) = If
lndeks pengaliran adalah kemiringan lengkung aliran, yang menyatakan
perbandingan antara selisih kadar air dengan selisih logaritma jumlah
ketukan/pukulan pada percobaan batas cair.
If
w1 w2
log N 2 log N 1
(2.44)
Dimana :
w1 = kadar air pada jumlah ketukan/pukulan percobaan 1
w2 = kadar air pada jumlah ketukan/pukulan percobaan 2
N1 = jumlah ketukan/pukulan percobaan 1
N2 = jumlah ketukan/pukulan percobaan 2
7. Indeks kekasaran (Thoughness inde x) = 1t
Menyatakan perbandingan antara indeks plastis dengan indeks pengaliran.
It
PI
IF
(2.45)
8. Batas menyusut/mengerut adalah batas di mana tanah dalam keadaan jenuh
yang sudah kering tidak akan menyusut lagi, meskipun dikeringkan terus.
Mekanika Tanah 1
2017
32
Gambar 2.12 Batas Menyusut (Shrinkage Limit)
SL =
( )
( )
w (%) =
( )
(
(2.46)
(2.47)
)
(2.48)
Maka
SL =
(
)
Dimana
(
)
(
)
(
)(
)
(2.49)
wi = kadar air mula-mula(%)
w = perubahan kadar air ( yaitu antara kadar air awal dan kadar air pada
batas menyusut)
M1 = massa tanah mula-mula (gr)
M2 = massa tanah kering (gr )
Vi = Volume tanah mula-mula (cm3)
Vf = Volume tanah kering (cm3)
Pw = densitas tanah air (1 g/cm3)
Parameter lain yang dapat ditentukan dari uji batas penyusutan adalah
perbandingan penyusutan (shrinkage ratio), SR :,
Mekanika Tanah 1
2017
33
SR =
Dimana
)
(
(
)
(
(
)
(2.50)
)
V = perubahan volume (cm3)
M = Perubahan massa (gr)
Hubungan antara SR, SL dan berat jenis/Spesifis Gravity (Gs) dapat dinyatakan
dalam persamaan berikut :
Gs =
(
(2.51)
)
Kegunaan batas-batas Atterberg
Batas cair dan batas plastis tidak secara langsung memberi angka-angka yang
dapat dipakai dalam perhitungan perencanaan. Yang kita peroleh dari percobaan
batas-batas Atterberg ini adalah suatu gambaran secara garis besar sifat-sifat tanah
yang bersangkutan. Tanah yang batas cairnya tinggi biasanya mempunyai sifat
teknik yang buruk, yaitu kekuatannya/daya dukungnya rendah, pemampatannya
(compressibility) tinggi dan sulit memadatkannya.
Contoh soal :
Berikut ini merupakan data hasil uji batas menyusut :
Volume awal tanah dalam keadaan jenuh
= 24,6 cm3
Volume akhir tanah dalam kondisi kering
= 15,9 cm3
Massa awal dalam kondisi jenuh
= 44 g
Massa akhir dalam kondisi kering
= 30,1 g
Hitunglah batas menyusut dari tanah tersebut!
Penyelesaian:
SL = (
M1 = 44 g
M2 = 30,1 g
SL = (
)(
)
(
Vi = 24,6 cm3
)(
)(
)
Pw = 1 g/cm3
Vf = 15,9 cm3
)(
Mekanika Tanah 1
2017
)
(
) ( )(
) = 46,18 – 28,9 = 17,28%
34
Tugas
1. Diketahui data-data percobaan batas cair dan batas plastis
sebagai
berikut:
Jumlah pukulan
Kadar air (%)
15
42,00
20
40,80
28
39,10
36
37,90
Batas plastis : PL = 18,70
a. Gambarkan kurva aliran batas cair dan tentukan berapa batas cair tanah
dari diagram tersebut!
b. Berapa harga indeks plastisitas tanah tersebut!
2. Diketahui data-data percobaan batas cair dan batas plastis sebagai berikut
:
Jumlah pukulan
Kadar air (%)
17
42,10
22
39,20
27
36,20
32
34,10
Batas plastis : PL = 18,70
a. Gambarkan kurva aliran batas cair dan tentukan berapa batas cair tanah
dari diagram tersebut!
b. Berapa harga indeks plastisitas tanah tersebut!
Mekanika Tanah 1
2017
35