Verifikasi Hasil Pengukuran Independen Tak Langsung VP dan VS Tanah dengan Persamaan-Persamaan Empirik
Verifikasi Hasil Pengukuran
Independen Tak Langsung VP dan VS Tanah
dengan Persamaan-Persamaan Empirik
Eddy Hartantyo and Sismanto Laboratorium Geofisika, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada
Sekip Utara, Bulaksumur, Yogyakarta 55283 Email: hartantyo@ugm.ac.id, hartantyo@gadjahmada.edu
ABSTRAK
engukuran tak langsung parameter Vp dan Vs telah dilakukan dalam medium lapukan batugamping. Parameter Vp dihitung dengan metoda seismik bias, dan parameter Vs dihitung dengan metoda MASW. Target medium berupa slice 2D dengan panjang 300m dan kedalaman
P
15m dari permukaan tanah. Data pengukuran diproses secara terpisah satu dengan yang lain, sehingga menghasilkan nilai-nilai Vp dan Vs pada posisi yang sama (x,z). Hubungan antara Vp dan Vs diverifikasi dengan beberapa persamaan empirik Vp-Vs baik untuk batuan maupun untuk tanah.
Hasil verifikasi menunjukkan bahwa plot hasil pengukuran dan pengolahan independen Vp dan Vs menghasilkan nilai-nilai yang relatif mengikui persamaan-persamaan empirik yang ada (khususnya untuk tanah). Namun plot tersebut menyimpang cukup jauh apabila diverifikasi dengan persamaan untuk batuan (segar). Diperoleh persamaan linier terbaik dalam plot paper ini yaitu Vp = 2.492757 Vs – 54.7 (dalam satuan m/s).
Kata kunci: Vs, Vp, Seismik Refraksi, MASW, Sifat-sifat tanah ABSTRACT
Independent and indirect measurements of soil’s Vp and Vs has been conducted at weathered limestone
area. Vp values have been measured by seismic refraction method, otherwise Vs values were measured by
MASW method. Target medium is a 2D slice with 300m length and 15m deep from surface. Masured data
then independently processed, resulting Vp and Vs values at the same position (x, z). The relation of Vp and
Vs then verified by some empirical relation of Vp-Vs for both rock and soil.Plot of Vp-Vs’s independent measurements shows a good coherence with recent empirical relations
(especially for soil). Whatever, this plot is likely has a low similarity if verified by empirical formula for rocks
(fresh). By linearing the equation, best linier formula is Vp = 2.492757 Vs – 54.7 (in m/s).Keywords: Vs, Vp, Refraction Seismic, MASW, Soil properties PENDAHULUAN
gaya-gaya dan momen-momen dinamik. Ketidak- seimbangan tersebut akan ditransmisikan kepada Pengoperasian bangunan berskala besar (misalnya pondasi bangunan tersebut dan batuan penyangga pabrik, reaktor nuklir, reaktor PLTU, Jembatan) dan di bawah bangunan. Oleh karena itu, pondasi lain-lain akan menghasilkan ketidakseimbangan bangunan tersebut harus didesain untuk mampu menahan beban statik dan beban dinamik. Walaupun beban dinamik biasanya jauh lebih kecil daripada beban statik, namun beban dinamik biasanya berulang-ulang dalam jangka waktu yang lama.
Respon getaran dari sistem banguan-pondasi- batuan dipengaruhi oleh besarnya frekuensi alami dan amplitudo getaran, sehingga kedua hal perhitungan desain pondasi. Pada prinsipnya, frekuensi dinamiknya tidak sama dengan frekuensi alami pondasi-batuan untuk mencegah amplifikasi getaran. Dalam analisis perhitungan frekuensi alami, diperlukan data-data kecepatan gelombang shear (Dowrick, 2003).
Penentuan parameter elastik batuan, diantaranya adalah modulus elastisitas, sangat penting untuk memonitor dan menguji respon beban statik dan dinamik dari sebuah struktur bangunan. Dalam penentuan modulus dinamik tersebut, diperlukan cara pengukuran yang mempergunakan tingkat shear strain yang kecil (berada dalam orde kurang dari 0.001%) terhadap komponen shear yang diterapkan (Richart et al, 1977). Orde tersebut dikenal dengan nilai Gmax (Shear Modulus Maximum). Nilai Gmax ini sebanding dengan besarnya nilai Vs (kecepatan gelombang shear).
Untuk menghitung komponen modulus elastisitas sebuah medium diperlukan data-data kecepatan gelombang kompresi (Vp), Vs, dan densitas medium. Beberapa penulis menggunakan teknik pengukuran parameter gelombang tersebut untuk mengestimasi besarnya modulus elastisitasnya, diantaranya Wahdwa et al (2010) menentukan estimasi hubungan Vp/Vs untuk menguji batuan penyangga pondasi reaktor nuklir di India, Wantland (1964) menghitung Poisson Ratio berdasarkan pengukuran Vp dan densitasnya, dll.
Dalam tulisan ini, akan dianalisis hubungan empirik antara Vp dan Vs yang dihitung secara independen, in situ, dan menggunakan metode yang berbeda, dan perbandingannya dengan persamaan empirik yang lain.
Metode Seismik Refraksi Permukaan
Metode tersebut memanfaatkan sebuah palu untuk membangkitkan gelombang seismik, yang energi getarannya diterima oleh serangkaian geophone di permukaan. Efek biasan dari tiap diskontinuitas tanah dianalisis kemudian ditentukan besarnya nilai kecepatan perambatan dan kedalaman diskontinu pembiasnya. Kece- patan yang diperoleh dapat berupa Vp maupun Vs bergantung jenis geophone dan sumber yang digunakan. Nilai Vp yang diperoleh merupakan nilai rerata Vp pada suatu pelapisan ataupun blok-blok bergantung dari metode analisis yang dipergun- akan ().
Metode Multichannel Analysis of Surface Wave (MASW)
Metode tersebut diperkenalkan oleh Park et al (1999), disusun untuk mengurangi noise yang muncul pada metode SASW (yang hanya menggunakan sepasang geophone). Perekaman dilakukan secara simultan pada 24 geophone dengan jarak 1-2 meter hingga 50-100 meter dari sebuah sumber impulsif untuk mencakup jangkau kecepatan fasenya.
Metode ini pernah dan sukses digunakan untuk menganalisis bed-rock (lapisan keras) yang sangat berguna untuk analisis ketekniksipilan di daerah Olathe, Kansas (Miller and Xia, 1999). Pada analisis geologi dangkal, metode MASW juga digunakan untuk membatasi kenampakan geologi bawah permukaan di daerah Alabama (Xia, 2006) yang mencoba memisahkan lapisan clay (lempung) dengan batupasir dan gravel yang tersaturasi air.
Dalam bidang analisis/monitoring sifat pondasi juga dilakukan oleh Miller et al (1999) untuk menganalisis kondisi bawah tanah tepat di bawah bangunan rumah di daerah Tampa, Florida, dimana daerah ini sering terjadi amblesan akibat saturasi di daerah gamping. Dalam penelitiannya ini, geophone yang biasanya ditancapkan di dalam tanah harus dimodifikasi sehingga dapat digunakan dengan hanya diletakkan di permukaan lantai beton. Juga pada pemakaiannya dalam bidang teknik sipil menggunakan metode MASW untuk mengkarakterisasi seismik dari lapisan tanah/pondasi dari tempat/posisi turbin angin di Kansas (Park and Miller 2005).
Metode ini telah dianalisis dan diujicobakan kedalam data sintetik yang memberikan kemampuan untuk mencitrakan kecepatan gelombang S (Vs) secara detil di bawah permukaan hingga kedalaman 25m (Hartantyo, 2008).
Penelitian lapangan sebelumnya sudah dilakukan pada analisis tower di daerah non Karst (daerah endapan kuarter gunung Merapi muda) 2008) dari kenampakan inversi gelombang Rayleigh. Pada daerah yang sama, Hartantyo (2009) juga telah memanfaatkan metode ini bersamaan dengan teknik inversi refraksi untuk menentukan sifat-sifat batuan yaitu Poisson Ratio, Vp/Vs Ratio, dan Modulus Young.
Penelitian pencitraan gelombang shear dengan maksud yang lain juga sudah dilakukan untuk menganalisis batuan dangkal di daerah Selatan rowo jombor, Bayat untuk mengetahui kenam- pakan struktur dangkal dan pengaruhnya terhadap kerusakan gempa Jogjakarta pada bulan Maret 2006 yang lalu (Hartantyo dan Hussein, 2008).
Analisis lebih jauh terhadap metode yang digunakan, yaitu MASW telah dilakukan penulis (Hartantyo dan Brotopuspito, 2010) di daerah yang relatif berbatuan keras (zona karst Pegunungan Selatan) yang memberikan hasil bahwa metode MASW memiliki resolusi yang tidak jauh berbeda dengan pengukuran di daerah lunak (endapan Kuarter) yang memiliki Vs relatif rendah.
Hartantyo dan Suryanto (2010) juga telah mengaplikasikan metode pencitraan gelombang Vs pada bidang 2D dengan menggunakan konsep MASW-CMP (Hayashi dan Suzuki, 2004) untuk mengetahui kondisi bawah permukaan tower SUTET berdaya besar yang melintas di daerah Karst Pegunungan Selatan.
Persamaan Empirik
Beberapa perumusan empirik mengenai hubungan antara Vp dan Vs yang dipergunakan dalam tulisan ini adalah; Persamaan linear Carrol (1969): Dengan kecepatan dalam satuan km/detik dan diturunkan berdasarkan data pengukuran batuan.
Persamaan Brocher (2005) menggunakan persamaan deret pangkat: Dengan kecepatan dalam satuan m/detik, juga diturunkan untuk data-data batuan. Persamaan Boore (2007) mempergunakan persamaan elastik berbentuk: Dengan kecepatan dalam m/detik dan nilai Poisson ratio (
) terbaik sebesar 0.4. Persamaan Boore ini diturunkan dari koleksi data-data pengukuran pada soil. Dalam manual OYO (2007) diberikan persamaan sederhana dalam bentuk: Dengan kecepatan dalam m/detik. Wadhwa et al (2010) memberikan persamaan empiriknya sebagai: Dalam km/detik, dan diturunkan dengan data-data soil.
METODE PENELITIAN
Area penelitian terletak pada 25 km arah barat kabupaten Tuban, berada pada 3km selatan jalur pantura (pantai utara). Daerah didominasi oleh batugamping dengan tingkat pelapukan lanjut, disisipi oleh lempung. Batugamping tersebut secara garis besar berstruktur sarang lebah (honeycomb), bertekstur lunak hingga sangat lunak dan berwarna putih kekuningan. Secara umum, kenampakan lapangan dari permukaan hingga 1m adalah berlitologi lempung.
Area tersebut diwakili oleh lintasan sejauh 300 meter dengan kedalaman target maksimum dibatasi hingga 15m. Pengukuran menggunakan metode intra geophone shot (lihat gambar 1), yang bergerak dengan titik overlay adalah 2 geophone di setiap spread. Pada gambar 1, panjang AB adalah 300m, dan panjang satu spread adalah 34.5m, yang disusun oleh 24 geophone (tanda panah ke bawah) berspasi 1.5m antar geophone. Dibutuh- kan total 9 spread untuk memenuhi panjang 300m. Tanda segitiga menunjukkan posisi shot, sehingga dibutuhkan 25 shot dalam satu spread.
225 shotgathers yang terdiri dari 5400 tras seismik. Sejumlah 225 data shotgathers seluruh- nya digunakan untuk proses MASW, sedangkan sejumlah 47 shotgathers digunakan untuk proses Seismik Refraksi.
Dalam proses refraksi, proses yang dilakukan adalah mengedit geometri tiap shotgather, melakukan picking first arrival (lihat gambar 2), dan melakukan proses inversi secara simultan dengan software Seisimager. Proses ini akan menghasilkan sayatan nilai Vp.
Sedangkan dalam proses MASW, dilakukan proses editing geometri, mengubah urutan data dati shot gather menjadi CMP gather, menghitung korelasi kecepatan fase untuk setiap frekuensinya (lihat gambar 3), melakukan picking kurva kecepatan fasenya, dan melakukan proses inversi simultan 1D dengan pembobotan dan regularisasi ke arah horisontal menghasilkan sayatan nilai Vs.
Hasil sayatan Vp pada lintasan pengukuran ditunjukkan pada gambar 4. Pada gambar 4 bagian atas, menunjukkan plot data dari lapangan dibandingkan dengan plot data sintetik hasil pemodelan. Kesesuaian data cukup tinggi dengan rms error sebesar 4.3%. Data sintetik pada gambar ini merupakan hasil raytrace dari model kecepatan Vp pada gambar 4 bawah. Model tersebut menunjukkan bahwa pada lintasan pengukuran memiliki undulasi pada bagian bawahnya, dengan nilai Vp berkisar antara 300 hingga 3000 m/detik.
Lapukan dengan kedalaman yang relatif besar ditunjukkan pada meter 70 hingga 110 dan meter 170 hingga 240. Mulai meter 250 hingga ujung meter 300, batugamping relatif memiliki tingkat pelapukan yang rendah (lebih segar) dibandingan area yang lain.
Hasil sayatan Vs dapat dilihat pada gambar 5 bagian bawah. Sayatan tersebut diperoleh dengan melakukan inversi kurva kecepatan fase (gambar 5 atas) di tiap posisi CMP. Inversi menggunakan konsep 1D dengan regularisasi dan smoothing pada arah horisontal sehingga terbentuk sayatan 100 hingga 1100 m/detik. Pada lintasan ini, terdapat dua kedalaman, dengan posisi yang hampir sama dengan posisi kedalaman Vp hasil seismik refraksi.
Secara visual kesamaan antar kedua sayatan cukup tinggi. Hal ini menunjukkan bahwa data- data yang diolah secara independen dengan metode yang berbeda menunjukkan pola konsistensi yang tinggi.
Plot nilai Vp dan Vs dari kedua citra ditunjukkan pada gambar 6. Plot dibagi dalam 3 kelompok, yaitu 0-5m, 5-10m dan 10-15m. Kenampakan titik- titik plot yang terverifikasi oleh beberapa persamaan empirik menunjukkan pola yan identik. Khusus untuk persamaan empirik yang diturunkan dari batuan (bukan soil) menunjukkan kelakuan yang menyimpang dari data. Untuk persamaan empirik yang diturunkan dari data-data soil (kedalaman dangkal, kurang dari 30m) menunjukkan kekonsistenan terhadap titik data.
Berdasarkan plot tersebut, menunjukkan bahwa pengukuran sifat-sifat elastik batuan/soil menggunakan metode tak merusak Refraksi maupun MASW memberikan hasil yang memuaskan. Apabila ditarik persamaan empirik untuk batugamping pada area penelitian diberikan oleh;
HASIL DAN PEMBAHASAN
54.7 Dalam satuan m/detik.
KESIMPULAN
Dapat disimpulkan bahwa metode pengukuran tak langsung Refraksi dan MASW untuk menentukan sifat-sifat elastisitas gelombang pada media menunjukkan konsistensi yang tinggi, sehingga memungkinkan penggunaannya dalam skala yang luas karena kecepatan dan kemurahan metode. Persamaan empirik hubungan Vp dan Vs juga telah diturunkan, khususnya pada area dengan litologi batugamping lapuk tertutup lempung.
Terimakasih diucapkan kepada wiwit suryanto, atas diskusinya dan Afif, Yan, Joko, Rudi, Barko atas bantuannya dalam pengambilan data di lapangan.
Daftar Pustaka
Boore, D.M., 2007, Some thoughts on relating density to velocity, Notes on personal web, not published. Brocher, T.M., 2005. Empirical relations between elastic wavespeeds and density in the Earth’s crust, Bull. Seism. Soc. Am. 95, 2081-2092. Carrol, R.D., 1969. The determination of acoustic parameters of volcanic rocks from compressional velocity measurements, Int. Jl. Rock Mech. Min. Sci., 6, 557-579. Dowrick, D., 2003. Earthquake Risk Reduction, John Wiley and Son, NewYork. ASTM D-4428. Hartantyo, E., Afif, R. and Wiwit, S.,2008, Active
Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) Survey for SUTET tower base soil compaction imaging, submitted to ICMNS 2008, ITB Bandung. Hartantyo,
E., 2008. Analisis Gelombang Permukaan Seismik, Laporan Penelitian Dosen Muda, LPPM 2008, tidak dipublikasikan.
Hartantyo, E., 2009. Joint Analysis of Shallow Subsurface Seismic Properties beneath Extra High Voltage PLN Towers, Proceeding The First International Seminar on Science and Technology, ISSTEC 2009, ISBN:978-979- 19201-0-0, Universitas Islam Indonesia, 25 January 2009.
Hartantyo, E., dan Hussein, S., 2008, Pencitraan dangkal batuan bawah permukaan daerah Rowo Jombor, Klaten dan kaitannya dengan Gempabumi Jogjakarta menggunakan analisis Gelombang Permukaan, Penelitian Antar Bidang Ilmu, FMIPA 2008, tidak dipublikasikan.
Hartantyo, E. and Brotopuspito, K.S., 2010, Analysis on MASW near and far offsets at high Vs velocity limestone, submitted to International Conferences of HAGI-SEG Joint Convention,
Hartantyo, E. and Suryanto, W., 2010, Analisis kestabilan tapak tower SUTET di daerah Karst dari data sayatan Vs MASW, diterima untuk dipresentasikan pada Seminar Himpunan Fisika Indonesia (HFI), Universitas Diponegoro, Semarang, 12 April 2010
Hayashi, K. and Suzuki, H., 2004, CMP cross- correlation analysis of multi-channel surface- wave data; Exploration Geophysics, v 35, 7–13
Miller, R.D. and Xia, J., 1999, Using MASW to Map Bedrock in Olathe, Kansas, Kansas Geological Survey Open File Report No 99-9. Final report to Harding Lawson Associates, Lee’s summit, Missouri.
Miller, R.D., Xia, J. And Park, C.B., 1999. MASW to investigate Subsidence in the Tampa, Florida Area. Kansas Geological Survey Open File Report 99-33. Report to ELM Consulting LLC, Olathe, Kansas. OYO (2007) Software (c). Park, C.B., Miller, R.D., and Xia, J., 1999, Multi- channel analysis of surface waves, Geophysics,
Vol. 64, No. 3 (May-June 1999); P. 800–808, 7 Figs. Park, C.B., and Miller, R.D., 2005, Seismic
Characterization of Wind Turbine Sites in Kansas by the MASW Method, Kansas Geological Survey Open File Report 2005-23.
Report to Barr Engineering Company, Minneapolis. Richart, F.E., Jr., Anderson D.G., & Stokoe II K.H.,
1977. Predicting in situ strain-dependent shear moduli of soils, Proc. Sixth world conf. Earthq. Eng, New Delhi, India Wadhwa, R.S., Ghosh, N., & Subba Rao, Ch., 2010. Empirical relation for estimating shear wave velocity from compressional wave velocity of rocks. J. Ind. Geophys. Union (January 2010) Xia, J., 2006, Delineating Subsurface Features with Vol 14 No.1,pp21-30. the MASW Method at Maxwell AFB in
Montgomery, Alabama, Kansas Geological Wantland, D., 1964. Geophysical measurements of Survey Open File Report No 2006-1. Report to rocks properties in situ. State of Stress in Earth Andrew Weinberg, Bechtel-S Corp., Texas.
Crust, Proceeding of the International Conference, Santa Monica, California, p409- 450.
300 m
Spread 1 (34.5 m): AB Spread 2 (34.5 m) ......
Shotpoint Geophone
- Spacing : 1.5m
- #24 geophone
- intrashot
Gambar 1. Skema pengukuran untuk kedua metode seismik MASW dan Refraksi. Panjang total lintasan AB
adalah 300m. Sejumlah total 9 spread telah diakuisisi, dengan setiap spread terdiri dari 24 geophone
Source= 99.7mberspasi 1.5m.
105 103 101 99 50 100 150 Time (msec) 111 109 113 107) m 115 ( 117 e c n 119 a t s 121 i D 123 125 127 129 133 131
99_133s_099.75.dat
Gambar 2. Contoh shotgather untuk diproses Refraksi. Sampel Data adalah data untuk posisi geophone
meter 99 hingga 133 pada posisi shot di 99.75m. Garis-garis hijau adalah hasil pick pada shotgather yang
lain.
(a) (b)
Gambar 3. Salah satu sampel data yang telah disusun kembali dalam CMP gather (a), menunjukkan posisi
CMP di meter 78, dengan posisi envelopnya hingga 30m. (b) Kontur korelasi kecepatan fase yang
bersesuaian dengan gambar (a) (korelasi yang tinggi pada warna biru).
Gambar 4. Hasil pengolahan refraksi dari data-data terpilih. Kemiripan data terhitung (atas) dengan data
pengamatan cukup tinggi. Data terhitung merupakan hasil perhitungan ray-path dari model akhir Vp
(bawah).
15 25 35 E l e v a t i o n m 10 20 30 40 50 60 70 Seismic refraction method 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 m Distance (km/sec) P-velocity 0.30 0.64 0.98 1.31 1.65 1.99 2.33 2.66 3.00 Scale = 1/1000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 T r a v e l t i m e (ms) 50 100 150 200 250 300 (m) Distance : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed : Calculated : Observed Scale = 1 / 9011600 .0 1400 .0 0.0 10.0 20.0 Frequency (Hz) 30.0 40.0 50.0 ) 1200 .0 s / m ( y 1000 .0 t i c o l 800.0 e v
- e s a 600.0 h P 200.0 400.0
0.0 (m)
- -35 S-Velocity Line 4 (West - East) -30
S-velocity 1300.00 1500.00 h t -25 1100.00 p e 900.00 D
- -20 -15 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 (m/sec) 700.00 500.00 300.00 100.00
(m) Distance Scale = 1/1000
Gambar 5. Hasil akumulasi kurva kecepatan fase dan frekuensi (atas) seluruh data CMP gather, yang menghasilkan data-data nilai Vs (bawah) di lintasan pengukuran.
10-15m 5-10m 0-5m
1000 Carroll (1969) Brocher(2005)
) /s Boore (2007)
(m Oyo (2007) p
Wadhwa et al (2010)
V Best Fit 100 100 1000
Vs (m/s) Gambar 6. Hasil plot nilai Vp-Vs, beserta grafik empiris beberapa peneliti. Best fit secara linier grafik ini ditunjukkan oleh garis putus-putus.