MANUALTANAH

Sifat Dasar Tanah .

Daftar Isi

1Definisi dan asal tanah112Tekstur tanah

23Struktur tanah

34Horizon tanah

305Bahan induk

305.1Batuan sedimen

305.2Batuan beku

315.3Batuan metamorf

46Komponen tanah

67Hubungan air, bahan padat dan udara dalam tanah

78Sifat-sifat dasar tanah

8.1Kadar air, berat jenis, berat isi, angka pori, porositas dan derajat 7 kejenuhan

88.2Permeabilitas

88.3Elastisitas

98.4Plastisitas

98.5Kohesi dan kekuatan geser

108.6Pemampatan (compressibility)

108.7Penyusutan dan pemuaian (shrinkage and swelling)

118.8Aktifitas (activity)

118.9Konsistensi tanah asli

138.10Sensitifitas (sensitivity)

138.11Daya kapiler (capillarity) dan pengisapan (suction)

148.12Dilatansi.

149Udara dalam tanah

149.1Bakteri erobik dan jamur

159.2Pergerakan air dalam bentuk uap

1510Air dalam tanah

1510.1Pengaruh air sebagai bahan cair terhadap sifat-sifat tanah

1510.1.1Pengaruh terhadap kohesi

1710.1.2Pengaruh terhadap pengisapan tanah (soil suction)

1910.1.3Pengaruh terhadap pemuaian (swelling)

1910.1.4Pengaruh terhadap penyusutan (shrinkage)

2010.1.5Pengaruh terhadap konsistensi

2210.1.6Pengaruh terhadap kepadatan

2310.1.7Pengaruh terhadap permeabilitas

2310.2Pengaruh air sebagai bahan pelarut terhadap sifat-sifat tanah

2511Bahan padat dalam tanah

2511.1Bahan organik

2611.2Bahan anorganik

2711.2.1Kerikil

2711.2.2Pasir..

2711.2.3Lanau.

2711.2.4Lempung

SIFAT DASAR TANAH

1. Definisi dan Asal TanahKata tanah mempunyai banyak arti dan konotasi bagi berbagai kelompok keahlian yang berkepentingan terhadap bahan tersebut. Insinyur pertanian (agronomist) terutama berkepentingan terhadap lapis tipis tanah yang tebalnya sekitar 15 sampai 30 atau 60 cm; insinyur geologi berkepentingan terhadap semua aspek yang menyangkut komposisi kulit bumi dan menganggap tanah sebagai batuan terdisintegrasi yang terletak pada permukaan bumi.

Ahli geologi membagi tanah menjadi tanah residual dan tanah terpindahkan (transported soils). Tanah residual adalah tanah yang terbentuk di tempat dari batuan atau bahan induk; sedangkan tanah terpindahkan adalah tanah residual yang telah dipindahkan dan ditempatkan kembali oleh angin, es atau air.

Insinyur sipil lebih berkepentingan terhadap kekuatan tanah dan biasanya mendefinisi-kan tanah sebagai semua bahan pada kulit bumi yang tidak terkonsolidasi (unconsolidated). Mereka menganggap bahwa batuan merupakan mineral agregat yang dihubungkan oleh berbagai kekuatan yang besar, sedangkan tanah merupakan partikel-partikel alam yang dapat dihancurkan dengan kekuatan rendah. Dengan perkataan lain, tanah merupakan bahan lepas di luar lapisan batuan, yang terdiri atas kumpulan butir-butir mineral dengan berbagai ukuran dan bentuk serta kandungan bahan organik, air dan udara.

Pada sebagian besar tanah, ikatan antara butir-butir adalah relatif lemah bila dibandingkan dengan ikatan pada sebagian besar batuan utuh. Oleh karena itu, apabila contoh tanah yang dikeringkan pada udara terbuka dimasukkan ke dalam air dan dikocok secara perlahan-lahan, maka dalam tempo yang singkat, contoh tersebut akan hancur.

Partikel padat yang membentuk tanah biasanya merupakan produk fisik dan kimia (pelapukan). Sebagai produk pelapukan, endapan partikel padat dapat dijumpai dekat atau langsung di atas batuan dasar (disebut tanah residual) atau dalam bentuk endapan organik (disebut tanah kumulus). Di sisi lain, banyak endapan tanah yang telah dipindahkan dari lokasi asalnya ke lokasi lain oleh air, angin, es atau tenaga vulkanik. Tanah yang dipindahkan oleh air disebut aluvial (diendapkan oleh arus air di cekungan, delta atau muara sungai), marin (diendapkan dalam air garam) dan lakustrin (diendapkan di danau air tawar). Tanah yang dipindahkan oleh es umumnya disebut drift atau glacial till, sedangkan tanah yang dipindahkan oleh angin dapat disebut sebagai tanah aeolian.

2. Tekstur/Ukuran Tanah

Tekstur, atau ukuran butir, seringkali mempunyai peranan yang penting dalam pengklasifikasian tanah serta mempengaruhi sifat-sifat teknis tanah. Secara umum, tekstur telah digunakan untuk membagi tanah menjadi dua kelompok besar, yaitu tanah berbutir kasar dan tanah berbutir halus. Ukuran dan distribusi butir-butir mineral yang terdapat pada suatu tanah tergantung pada banyak faktor, termasuk komposisi mineral, cuaca, lamanya pelapukan dan cara pemindahan.

Sesuai dengan ukuran butirnya, tanah berbutir kasar dibagi menjadi bongkah (boulder), kerikil (gravel) dan pasir. Sifat-sifat teknis tanah berbutir kasar seringkali sangat dipengaruhi oleh tekstur dan gradasinya.

Tanah berbutir halus dibagi menjadi lanau dan lempung. Butir-butir yang membentuk lanau dan lempung mempunyai ukuran yang sangat kecil sehingga tidak bisa dibedakan dengan mata telanjang. Sifat-sifat teknis lanau dan lempung lebih dipengaruhi oleh kekuatan permukaan dan kekuatan listrik butiran daripada oleh kekuatan gravitasi sebagaimana yang berlaku pada tanah berbutir kasar. Oleh karena itu, tekstur tanah berbutir halus mempunyai pengaruh yang lebih kecil terhadap sifat-sifat teknis daripada tekstur tanah berbutir kasar. Lanau biasanya mempunyai plastisitas yang lebih rendah daripada lempung dan dalam keadaan kering mempunyai kekuatan yang rendah atau sama sekali tidak mempunyai kekuatan.

Sesuai dengan Klasifikasi Unified, ukuran tekstur tanah ditunjukkan pada Tabel 1. Meskipun ukuran butir yang ditunjukkan pada Tabel 1. hanyalah pilihan, namun nilai-nilai tersebut diusulkan dalam rangka menyeragamkan definisi. Perbedaan utama antara lanau dengan lempung adalah plastisitasnya. Lanau pada dasarnya terbentuk melalui pelapukan mekanis, sehingga sebagian besar sifat-sifatnya menyerupai sifat-sifat bahan induknya, sedangkan lempung dihasilkan melalui pelapukan mekanis dan kimia dan pada dasarnya berukuran koloidal.

Untuk membedakan lempung dari lanau di lapangan, terdapat beberapa pengujian sederhana. Dalam keadaan kering, lanau mempunyai kekuatan yang sangat rendah, sehingga segumpal lanau mudah dihancurkan dengan jari tangan. Di sisi lain, segumpal lempung yang kering sulit dihancurkan dengan jari tangan. Apabila segumpal lanau yang ditambah air ditempatkan pada telapak tangan dan digoyang-goyang, maka permukaan lanau tersebut akan mengkilap (ada lapisan air) dan apabila lanau tersebut diremas (squeeze), maka lapisan air akan hilang. Pada lempung berair yang digoyang-goyang, air tidak muncul ke permukaan sehingga permukaannya tidak mengkilap.

Tabel 1. Ukuran tekstur tanah

Tekstur TanahUkuran

Bongkah (cobbles) Kerikil

Kerikil kasar

Kerikil halus

Pasir

Pasir kasar

Pasir sedang

Pasir halus

Tanah berbutir halus (lanau atau lempung)> 75 mm (3 in)

75 mm (3 in) sampai 4,76 mm (No. 4)

75 mm (3 inci) sampai 19 mm ( in)

19 mm ( in) sampai 4,476 mm (No. 4)

4,76 mm (No. 4) sampai 0,074 mm (No. 200)

4,76 mm (No. 4) sampai 2 mm (No.10)

2 mm (No. 10) sampai 0,42 mm (No. 40)

0,42 mm (No. 40) sampai 0,074 mm (No. 200)

< 0,074 mm (No. 200)

Sumber : Yoder, 1975. 3. Struktur TanahPola dimana individu butir dalam masa tanah tersusun disebut struktur primer (primary structure). Untuk tanah berbutir kasar, struktur primer sering kali dapat dilihat dengan mata telanjang atau dengan bantuan kaca pembesar (hand lens). Cara untuk mengamati struktur tanah berbutir halus (lanau dan lempung) sejauh ini berkembang lambat. Namun demikian, teknologi di bidang mikroskop elektron yang dikembangkan akhir-akhir ini memberi harapan untuk memudahkan pengamatan struktur tanah berbutir halus.

Meskipun dalam banyak kasus struktur primer tidak dapat diamati dan mungkin sangat bervariasi, namun para ahli telah berusaha menetapkan dan mengklasifikasikan berbagai struktur primer tanah. Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1, beberapa kelompok struktur primer tersebut adalah :

a. Butir tunggal (single-grained).

b. Sarang lebah (honeycomb).

c. Flokulen (flocculent).

a. Butir tunggalb. Sarang lebahc. Flokulen

Gambar 1. Tiga jenis struktur primer tanah

Sering kali tanah menunjukkan struktur jenis yang lain, yang dikenal dengan struktur sekunder. Istilah tersebut menggambarkan pola retak, patahan atau bentuk kerenggangan lain yang terjadi pada formasi tanah.

Baik struktur primer maupun struktur sekunder sering mempunyai pengaruh yang besar terhadap sifat-sifat teknis tanah (permeabilitas, elastisitas, kompresibilitas, kekuatan geser).

4. Horizon Tanah (Lapis Tanah)Pedologi merupakan ilmu mengenai proses pelapukan tanah serta pembentukan profil tanah. Faktor cuaca yang terutama mempengaruhi pembentukan profil tanah adalah tingkat aliran permukaan (surface runoff) dan suhu.

Profil tanah merupakan hasil pelapukan alamiah yang merubah tanah induk. Profil tipikal tanah, sebagaimana yang berlaku pada bidang teknik sipil, terdiri atas tiga lapis atau tiga horizon sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.

Lapis/Horizon paling bawah, disebut bahan induk (parent material) atau Lapis/Horizon C, terdiri atas tanah asli yang belum mengalami pelapukan. Lapis C dapat merupakan bahan pindahan atau bahan endapan, sedangkan lapis A dan B merupakan zona-zona yang telah mengalami pelapukan. Lapisan yang ditunjukkan pada Gambar 2. merupakan penyederhanaan daripada lapis/horizon menurut pedologi (pedologi membagi lapis menjadi lapis-lapis yang lebih kecil).

Gambar 2. Profil tipikal tanah (Sumber: Yoder, 1975)Adanya profil tanah merupakan hasil penghancuran dan penempatan kembali komponen tanah oleh air yang meresap (water seeping) ke dalam tanah. Dalam bentuk yang paling sederhana, kandungan lempung pada lapis A akan makin menurun, karena lempung dari lapis tersebut akan terendapkan pada lapis B. Oleh karena itu, lapis A terutama terdiri atas lanau nonplastis, sedangkan lapis B terdiri atas lempung kelanauan atau lempung.

Kedalaman dan karakter profil tanah sangat dipengaruhi oleh cuaca, topografi dan waktu. Pada daerah-daerah yang curah hujannya rendah, terjadinya profil tanah kurang berkembang, sebagaimana halnya pada lereng terjal. Kedalaman pelapukan sangat dipengaruhi oleh umur dan topgrafi.Perlu diingat bahwa profil yang disebutkan di atas hanya terjadi apabila air mengalir ke bawah melalui tanah. Dalam hal tersebut, perkembangan karakter dan kedalaman profil tergantung pada jumlah air yang melewati tanah. Tanah muda dan tanah yang terjadi pada lereng terjal akan membentuk profil yang dangkal, sedangkan tanah tua dan tanah yang terjadi pada cekungan akan membentuk horizon yang dalam.

5. Bahan Induk

Dalam praktek rekayasa jalan raya dan lapang terbang, kegiatan dalam bidang geologi dan pedologi tidak bisa dipisahkan satu sama lain. Para ahli geologi dan pedologi biasanya telah membuat peta daerah-daerah yang dapat memberikan informasi rinci mengenai jenis-jenis tanah dan konsistensinya. Meskipun informasi yang diperoleh dari peta tanah menurut geologi dan pertanian sering kali tidak memberikan gambaran yang tepat tentang kasus-kasus rekayasa (engineering problems), namun apabila seseorang telah memiliki latar belakang yang cukup tentang proses geologi dan mekanika pembentukan tanah, maka dia dapat memperoleh data dengan cara menafsirkan informasi geologi dan pedologi.

Tanah yang berasal dari bahan induk yang identik serta di bawah pengaruh kondisi cuaca dan pelapukan yang juga identik, akan terbentuk menjadi tanah yang sama. Namun demikian, tanah yang terbentuk tersebut jangan diharapkan selalu seragam. Masing-masing kasus hendaknya diselidiki secara rinci, dimana semua ketidak-konsistenan mengenai profil tanah, muka air tanah dan jenis bahan induk harus diselidiki. Untuk keperluan tersebut, seseorang harus memiliki pengetahuan tentang geologi serta memahami distribusi tanah dan kelompok tanah.

Berdasarkan proses pembentukannya, bahan atau batuan induk dapat dibagi menjadi :

Batuan sedimen, Batuan beku dan Batuan metamorf.

5.1. Batuan Sedimen

Batuan sedimen terbentuk melalui akumulasi sedimen (butir-butir halus) dalam air. Sedimen dapat terdiri atas partikel-partikel atau fragmen mineral (sebagaimana pada kasus batu pasir (sandstone) atau batu serpih (shale)), sisa-sisa binatang (beberapa batu kapur), sisa-sisa tumbuhan (batu bara dan gambut), produk ahir proses kimia atau penguapan (garam, gipsum), atau kombinasi bahan-bahan tersebut.

Disamping itu, batuan sedimen sering disebut juga batuan sedimen bersifat silika (siliceous) atau gampingan (calcareous), dimana batuan sedimen bersifat silika adalah batuan yang mengandung banyak silika. Batuan yang mengandung banyak kalsium karbonat (batu kapur) disebut batuan bersifat gampingan.

5.2. Batuan Beku

Batuan beku terdiri atas bahan cair (magma) yang telah mendingan dan memadat. Terdapat dua jenis batuan beku, yaitu batuan ekstrusif dan batuan intrusif. Batuan beku ekstrusif terbentuk dari magma yang tertumpah ke permukaan bumi pada saat letusan vulkanik atau kegiatan geologi yang sejenis. Karena pada saat tumpah magma bersentuhan dengan atmosfir yang memungkinkan cepat mendingin, maka batuan yang terbentuk mempunyai penampilan dan struktur yang menyerupai kaca. Riolit, andesit dan basal merupakan contoh batuan ekstrusif.

Batuan beku intrusif terbentuk jauh di bawah permukaan bumi. Karena terperangkap di bawah permukaan, maka magma mendingin dan mengeras secara perlahan-lahan yang memungkinkan terbentuknya struktur kristal. Oleh karena itu, batuan beku intrusif mempunyai penampilan dan struktur sperti kristal; contoh, granit, diorit dan gabro. Akibat proses pergerakan dan erosi kulit bumi, batuan beku intrusif dapat muncul ke permukaan sehingga dapat ditambang.

5.3. Batuan Metamorf

Batuan metamorf umumnya merupakan batuan sedimen atau batuan beku yang telah mengalami perubahan akibat tekanan dan panas dalam bumi serta reaksi kimia. Karena proses pembentukan tersebut kompleks, maka batuan metamorf sulit ditentukan secara pasti asal kejadiannya.

Beberapa jenis batuan metamorf mempunyai ciri yang nyata, yaitu mineralnya tersusun dalam bidang atau lapisan yang sejajar. Pemisahan batuan pada bidang tersebut akan lebih mudah daripada pemisahan pada arah lain. Batuan metamorf yang mempunyai ciri tersebut disebut batuan pipih (foliated); contoh, geneis (gneisses) dan sekis (schists) (terbentuk dari batuan beku) dan slate (terbentuk dari batuan sedimen, yaitu batuan serpih). Tidak semua batuan metamorf berbentuk pipih; marmer (terbentuk dari batu kapur) dan kuarsit (terbentuk dari batu pasir) merupakan batuan metamorf tanpa proses pemipihan.

6. Komponen Tanah

Tanah terdiri atas partikel-partikel padat yang membentuk struktur porus (mengandung pori-pori). Tergantung pada kondisinya, pori-pori dapat berisi air atau udara atau kedua-duanya. Dengan menggunakan grafik-segi tiga yang ditunjukkan pada Gambar 3, komposisi suatu tanah dapat ditunjukkan oleh suatu titik, dimana koordinat titik tersebut menyatakan persentase volume ketiga komponen. Dengan Gambar 3, dapat ditelusuri juga setiap perubahan komposisi; Garis A menunjukkan perubahan komponen pada saat pengujian pemadatan, Garis B menunjukkan perubahan komponen pada saat pengujian penyusutan (shrinkage test) dan Garis C menunjukkan perubahan komponen pada saat pengujian konsolidasi.

Meskipun grafik pada Gambar 3. dapat menunjukkan komposisi tanah dalam persentase volume, namun dalam praktek partikel mineral (bahan padat) dan air biasanya dinyatakan dengan berat dalam suatu satuan volume, misal lb/ft3 atau gr/cm3, karena berat lebih mudah diukur daripada volume. Berat bahan padat yang terkandung dalam satu satuan volume tanah biasanya dikenal dengan kepadatan kering dan hal tersebut berbeda dengan volume suatu berat tanah setelah dikeringkan. Kepadatan kering merupakan berat bahan padat yang terdapat pada satuan volume tanah dimana setelah air secara hipotetis terbuang volume tersebut tidak mengalami perubahan.

7. Hubungan Air, Bahan Padat dan Udara dalam Tanah

Keberadaan struktur tanah sekunder yang luar biasa biasanya hanya dapat diditeksi melalui pengamatan visual. Pada kasus struktur primer, pengamatan visual biasanya tidak cukup; oleh karena itu, untuk mengevaluasi hal tersebut secara kasar telah dikembangkan cara tidak langsung, dimana tanah dipandang selalu terdiri atas tiga komponen, yaitu bahan padat, air dan udara.

Meskipun dalam praktek tidak mungkin memisahkan ketiga bagian tanah, namun secara diagram, ketiga bagian tanah tersebut ditunjukkan pada Gambar 4. Apabila tanah benar-benar kering (misal setelah dikeringkan dalam oven), maka tanah hanya terdiri atas bahan padat dan udara; sedangkan dalam keadaan jenuh, tanah hanya terdiri atas bahan padat dan air.

Hubungan antara komponen-komponen tanah pada Gambar 4. yang telah dikembangkan dalam mekanika tanah, tidak hanya untuk mendapatkan gambaran tidak langsung mengenai struktur tanah, tetapi juga dapat digunakan untuk memperkirakan penurunan (settlement), permeabilitas dan derajat kepadatan.

Beberapa hubungan antara komponen-komponen tanah yang dipandang penting adalah :

Kadar air (w), % = x 100 . [1] Kandungan udara (Va), % = . [2] Angka pori (e) = . [3] Porositas (n), % = . [4] Derajat kejenuhan (Sr), % =

. [5]Secara umum, nilai-nilai di atas serta parameter-parameter lain tanah dapat diperoleh dengan mengukur berat dan volume contoh tanah yang mewakili.

8. Sifat-Sifat Dasar Tanah

Bahan induk, komposisi mineral, kandungan bahan organik, cuaca, umur, cara perpindahan, letak endapan, cara pemadatan dan derajat kepadatan, tekstur tanah, gradasi butir serta struktur tanah merupakan faktor-faktor yang saling berhubungan dan mempunyai pengaruh yang besar terhadap sifat-sifat dasar tanah. Namun demikian, sifat dasar tanah tidak hanya dipengaruhi oleh faktor-faktor tersebut, tetapi juga oleh kondisi pada saat pengujian dilakukan.

Karena tanah merupakan bahan yang mempunyai karakteristik sangat heterogin, maka untuk mendapatkan gambaran tentang perilakunya serta untuk memudahkan penanganannya, terlebih dahulu perlu dipahami sifat-sifat dasar tanah. Beberapa sifat dasar tanah yang dipandang penting, adalah :

1). Kadar air.

2). Angka pori

3). Berat isi.

4). Berat Jenis.

5). Permeabilitas.

6). Elastisitas. 7). Plastisitas.

8). Delatansi

9). Sensitivitas

10). Kohesi dan kekuatan geser

11). Pemampatan (compressibility).12). Penyusutan dan pemuaian (shrinkage and swelling).

13). Aktifitas

14). Konsistensi

15). Daya kapiler

8.1. Kadar air, Berat jenis, Berat isi, Angka pori, Porositas dan Derajat kejenuhan

Kadar air, berat jenis, berat isi, angka pori, porositas dan derajat kejenuhan merupakan parameter yang biasa digunakan untuk menunjukkan hubungan antara berat dengan volume komponen-komponen tanah. Sebagaimana ditunjukkan pada persamaan [1]. Kadar air adalah perbandingan antara berat air yang terkandung dalam tanah dengan berat kering tanah yang biasa dinyatakan dalam persen. Di laboratorium, kadar air biasanya ditentukan dengan menempatkan contoh tanah dalam wadah (container) dan kemudian menimbang contoh basah, mengeringkan dan menimbang contoh kering tanah. Dengan demikian, maka berat contoh kering dan berat air (selisih antara berat contoh basah dengan berat contoh kering). Pengeringan biasanya dilakukan dalam tungku (oven) pada suhu 100-105 0C dalam waktu sampai berat contoh tetap.

Berat jenis tanah (biasa dinyatakan dengan simbol G) adalah perbandingan antara berat bahan padat dengan berat air pada suhu tertentu (biasanya 4 0C), untuk volume yang sama. Berat jenis tanah biasanya berkisar antara 2,60 sampai 2,80, dimana secara umum, nilai yang rendah adalah untuk bahan berbutir kasar, sedangkan nilai yang tinggi adalah untuk tanah berbutir halus. Meskipun demikian, kadang-kadang dijumpai jenis tanah yang mempunyai berat jenis di luar rentang yang disebutkan, yaitu jenis tanah yang berasal dari batuan induk sangat ringan atau sangat berat. Penentuan berat jenis di laboratorium biasa dlakukan dengan menggunakan piknometer.

Berat isi tanah didefinisikan sebagai berat masa tanah per satuan volume. Dalam teknik jalan raya, dikenal istilah berat isi basah, yaitu satuan berat masa tanah yang mengandung berbagai tingkat kadar air, serta berat isi kering, yaitu satuan berat masa tanah setelah dikeringkan dalam tungku (tidak mengandung air). Berat isi kering dapat diperoleh dengan membagi berat isi basah oleh kadar air.

Angka pori didefiniskan sebagai perbandingan antara volume rongga (udara dan air) dengan volume bahan padat; Porositas adalah istilah yang mirip dengan angka pori, yaitu perbandingan antara volume rongga dengan volume total; Sedangkan derajat kejenuhan merupakan perbandingan antara volume air terhadap volume total (biasa dinyatakan dalam persen).

Sebagaimana ditunjukkan pada Butir 7. dan pada butir-butir selanjutnya, antara parameter-parameter di atas dapat dibuat hubungan, sehingga parameter yang satu dapat diperoleh berdasarkan parameter lain yang diketahui.

8.2. Permeabilitas

Dalam teknik sipil, permeabilitas biasanya menunjukkan kemampuan (tingkat kemudahan atau kesulitan) air untuk mengalir dalam pori-pori tanah, baik sebagai akibat pengaruh gaya gravitasi maupun kekuatan lain. Tekstur, gradasi, derajat kepadatan dan struktur primer tanah sangat mempengaruhi permeabilitas. Tanah berbutir kasar mempunyai permeabilitas yang jauh lebih besar daripada tanah berbutir halus. Meskipun demikian, kandungan yang rendah bahan halus atau bahan perekat pada tanah berbutir kasar serta retak, patahan dan lubang pada tanah berbutir halus kadang-kadang merubah permeabilitas tersebut. Permeabilitas tanah berbutir lebih kasar dapat ditentukan dengan cukup teliti melalui pengujian, baik di laboratorium maupun di lapangan.

Dalam mekanika tanah, permeabilitas biasa dinyatakan dengan koefisien permea-bilitas, yang sering didefinisikan sebagai kecepatan aliran air melalui masa tanah di bawah pengaruh satu satuan gradien hidrolik. Faktor-faktor yanag mempengaruhi koefisien permeabilitas adalah sama dengan faktor-faktor yang mempengaruhi permeabilitas. Pengujian permeabilitas di laboratorium dapat dilakukan dengan permeameter, baik yang mempunyai inggi air berubah (falling-head permeater), maupun yang mempunyai tinggi air tetap (constant-head permeameter).

Tanah berbutir kasar (misal pasir dan kerikil) mempunyai koefisien permeabilitas yang besar dan dapat disebut sebagai tanah porus, sedangkan lempung dan tanah berbutir halus lainnya mempunyai koefisien permeabilitas yang kecil dan dapat dikatakan sebagai tanah kedap. Tabel 2. ditunjukkan perkiraan koefisien dan karaketristik drainase berbagai jenis bahanTabel 2.Perkiraan koefisien permeabilitas dan karakteristik drainase Jenis TanahKoefisien Permeabilitas (cm/detik)Karakteristik Drainase

Kerikil bersih

Pasir kasar bersih

Pasir medium bersih

Pasir halus bersih

Pasir dan kerikil kelanauan

Pasir kelanauan

Pasir kelempungan

Lempung kelanauan

Lempung

Lempung koloid5-10

0,4-3

0,05-0,15

0,004-0,02

10-5-0,01

10-5-10-410-6-10-510-610-710-8

10-9Baik

Baik

Baik

Baik

Jelek sampai baik

Jelek

Jelek

Jelek

Jelek

Jelek

Jelek

Sumber : Merrit, 1976

8.3. Elastisitas

Elastisitas menggambarkan kemampuan tanah untuk kembali ke bentuk aslinya setelah tanah melendut akibat pembebanan singkat.

Deformasi elastis atau lendutan balik yang mengikuti pembebanan ringan merupakan akibat dari deformasi elastis masing-masing partikel mineral dan sampai tingkat tertentu, merupakan sumbangan dari deformasi elastis struktur tanah yang menyerupai busa karet (sponge rubber-like). Pada sebagian besar tanah dan untuk sebagian besar keperluan rekayasa, deformasi tersebut sangat kecil dan sering diabaikan. Namun demikian, dalam rekayasa jalan raya, deformasi elastis disadari makin penting.

8.4. Plastisitas

Plastisitas mengandung arti kemampuan tanah untuk dirubah bentuknya tanpa retak atau hancur serta setelah beban lepas, perubahan bentuk tersebut tetap dipertahankan. Perubahan bentuk yang tidak kembali atau deformasi plastis kemungkinan merupakan gabungan daripada sejumlah besar pergeseran kecil antara butir serta keruntuhan kecil struktur lokal pada masa tanah. Menurut teori Goldschmidt, plastistas merupakan akibat kehadiran partikel-partikel pada muatan elektro-magnetik, dimana molekul-molekul air mempunyai sifat bi-polar yang mengatur dirinya mirip magnit-magnit kecil dalam daerah magnetik yang berdampingan dengan permukaan butir-butir tanah. Pada jarak yang sangat dekat dengan permukaan, air menjadi sangat kental dan apabila jaraknya bertambah, maka viksositas air menurun sampai pada jarak tertentu menjadi air normal. Apabila air hadir dalam jumlah yang cukup, maka partikel-partikel tanah terpisahkan oleh tetes-tetes air kental yang memungkinkan partikel bergeser satu sama lain ke posisi yang baru tanpa ada kecenderungan untuk kembali ke posisi awal, tanpa ada perubahan pada rongga serta tanpa mengganggu kohesi. Kebenaran teori Goldschmidt ditunjukkan oleh kenyataan bahwa lempung tidak menjadi plastis apabila dicampur dengan cairan yang mempunyai molekul tidak berpolarisasi, misal minyak tanah.

Dalam pekerjaan rekayasa jalan raya dan pondasi, deformasi plastis dapat menjadi faktor yang besar dan penting. Mudah dipahami bahwa apabila deformasi plastis makin membesar akibat pembebanan yang makin meningkat, maka butir-butir tanah mulai berorentasi kembali pada suatu zona kritis di dalam masa tanah. Apabila beban cukup besar dan butir-butir tanah (mungkin terorentasi sejajar satu sama lain) pada zona kritis jumlahnya cukup besar pula, maka masa tanah akan mengalami keruntuhan geser. Pada atau dekat zona tersebut, tahanan geser atau kekuatan tanah dapat dikatakan telah dilampaui.

8.5. Kohesi dan Kekuatan Geser

Telah diketahui bahwa apabila deformasi plastis dalam tanah berbutir halus menjadi lebih besar akibat pembebanan yang makin besar, maka dalam zona kritis tertentu pada tanah akan terjadi reorentasi butir. Apabila beban cukup besar dan butir-butir tanah (dengan jumlah yang cukup) dalam zona kritis mengalami orentasi yang sejajar satu sama lain, maka pada zona kritis tersebut, tanah akan mulai mengalami keruntuhan geser. Pada atau di dekat daerah tersebut, tahanan geser atau kekuatan tanah dikatakan telah dilampaui.

Kekuatan geser tanah merupakan sumbangan dari friksi antara butir serta kohesi (kohesi merupakan kekuatan geser di luar sumbangan friksi butir). Oleh karena itu, kohesi (dengan demikian kekuatan geser) tidaklah tetap, tetapi berubah-ubah sesuai dengan perubahan kadar air, tingkat dan lama pembebanan, tegangan tidak bebas (confining pressure) serta beberapa faktor lain. Namun demikian, tanah yang dipadatkan pada kadar air optimum biasanya mempunyai kekuatan geser yang lebih besar daripada tanah yang dipadatkan pada kadar air di atas optimum. Kekuatan geser tanah merupakan persoalan yang rumit dan telah banyak penelitian untuk merumuskan prosedur paling baik untuk menentukan sifat tersebut.

Menurut definisi, bahan yang mengalami deformasi akibat beban tanpa mengalami perubahan volume mempunyai Angka Poisson sama dengan setengah; sedangan bahan yang mengalami deformasi semata-mata akibat perubahan volume mempunyai Angka Poisson sama dengan nol. Angka Poisson tanah yang dapat dipercaya, sejauh ini sulit ditentukan. Namun demikian, Angka Poisson untuk sebagian besar tanah berkisar antara 0 dan 0,5. Hal tersebut mengandung pengertian bahwa deformasi yang terjadi akibat pembebanan terdiri atas dua bagian, yaitu deformasi elastis-plastis dan perubahan volume.

8.6. Pemampatan (compressibility)Karena butir-butir mineral dan air dalam masa tanah relatif tidak dapat memampat, maka sebagian besar perubahan volume pada tanah merupakan akibat perubahan struktur tanah yang diikuti dengan keluarnya (expulsion) air atau udara atau kedua-duanya dari masa tanah. Pemampatan atau perubahan bentuk sebagai akibat keruntuhan geser tidak dimasukkan dalam katagori ini. Istilah konsolidisi biasa digunakan untuk menyatakan porsi deformasi perubahan volume yang semata-mata diakibatkan oleh keluarnya air pori; sedangkan istilah densifikasi merupakan istilah yang sering digunakan untuk menyatakan perubahan volume yang diakibatkan oleh keluarnya udara dari masa tanah.

Sehubungan dengan hal di atas, maka pemampatan sangat dipengaruhi oleh struktur tanah dan sejarah tegangan yang pernah bekerja pada endapan. Endapan yang terjadi sebagai akibat proses sedimentasi biasanya mempunyai pemampatan yang lebih besar daripada tanah residual atau endapan yang dipindahkan oleh angin. Pemampatan pada sebagian besar tanah telah dapat ditentukan dengan menggunakan beberapa metoda pengujian di laboratorium.

Deformasi atau perubahan volume sering kali terjadi pada masa tanah, meskipun tanpa pemberian atau pelepasan beban luar. Hal tersebut dapat terjadi akibat sekurang-kurangnya dua fenomena yang berbeda; yaitu, penurunan muka air tanah pada suatu daerah akan mengakibatkan peningkatan tegangan tanah sehingga efektif untuk menimbulkan perubahan volume pada lapisan kompresibel di bawah permukaan air tanah awal dan selanjutnya terjadi penurunan (settlement) pada timbunan atau bangunan yang terletak pada atau dekat permukaan. Pada kasus yang lain, perubahan volume dalam bentuk deformasi pada tanah (tidak tergantung pada beban luar) dapat terjadi sebagai akibat fenomena penyusutan atau pemuaian.

Dalam keadaan normalnya, semua jenis tanah dapat memampat. Namun demikian, pemampatan pada tanah jenuh lebih merupakan akibat pengurangan volume rongga daripada pemampatan butir-butir tanah dan air dalam rongga. Apabila tanah jenuh dibebani, maka sebelum pemampatan terjadi, air yang mengisi rongga akan terlebih dulu harus terdorong keluar. Besarnya pemampatan pada suatu jenis tanah tergantung pada berbagai faktor, diantaranya adalah: besar beban, angka pori, struktur dan sejarah tanah; sedangkan besarnya konsolidasi pada tanah jenuh merupakan fungsi permeabilitas.

8.7. Penyusutan dan Pemuaian (shrinkage and swelling)Penyusutan dan pemuaian lebih nyata terjadi pada tanah berbutir halus, terutama lempung. Penyusutan dan pemuaian terjadi sebagai akibat terbentuk dan terlepasnya tegangan tarik kapiler pada air pori tanah serta tingkat penyerapan air (thirst for water) oleh mineral lempung yang terdapat pada tanah.

Apabila memungkinkan, penggunaan tanah yang mempunyai perubahan volume besar untuk pembangunan jalan raya hendaknya dihindarkan. Pada kasus dimana penggunaan tanah tersebut tidak dapat dihindarkan, maka perlu dilakukan upaya-upaya untuk mengurangi potensi pemuaian, atau mengurangi fluktuasi kandungan air. Lempung yang mempunyai perubahan volume besar seringkali mempunyai batas cair dan indeks plastis yang tinggi. Pengujian di laboratorium dapat membantu dalam mengidentifikasi dan menentukan pemuaian tanah.

Istilah penyusutan dan pemuaian yang mempunyai pengertian berbeda dengan pengertian di atas dikenal pula pada pekerjaan tanah. Pada pekerjaan tersebut, penyusutan dikaitkan dengan volume tanah dalam keadan lepas dan volume tanah setelah dipadatkan, sedangkan pemuaian diartikan dikaitkan dengan volume tanah dalam keadaan asli dan volume setelah digali (dalam keadaan lepas).

8.8. Aktifitas (activity)Meskipun indeks plastis dan batas cair sangat bermanfaat dalam mendeskripsikan dan mengklasifikasikan tanah berbutir halus serta mempunyai hubungan erat dengan sifat-sifat dasar fraksi lempung, namun kegunaannya akan makin meningkat apabila menghubungkan plastisitas dengan gradasi butir. Diketahui bahwa berbagai jenis lempung dengan jumlah yang sama, mempunyai kemampuan yang berbeda untuk merubah tanah menjadi plastis; misalnya, kaolin dan monmorilonit dalam takaran yang sama akan mempunyai peengaruh yang berbeda. Demikian pula, dua tanah yang mempunyai indeks plastis dan batas cair sama kemungkinan mempunyai kandungan lempung yang sangat berbeda, apabila aktifitas secara fisikokimia daripada campuran lempung-air berbeda. Sebagai upaya mendapatkan ukuran relatif tentang aktifitas lempung dalam tanah berbutir halus, Skempton (Krebs, 1971) mendefinisikan aktifitas sebagai perbandingan antara indeks plastis dengan persentase berat butir yang lebih kecil dari 0,002 mm. Aktifitas lempung berkisar mulai dari 0,4 untuk kaolin sampai 5 untuk monmorilonit. Aktifitas lempung dapat dikelompokkan menjadi tiga kelas sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 3.

Dibandingkan dengan sifat-sifat yang lain, aktifitas merupakan konsep yang baru. Salah satu penggunaanya adalah untuk mengidentifikasi lempung yang mempunyai potensi pemuaian tinggi. Dengan diketahuinya aktifitas, maka dengan cepat akan dapat diketahui aktif-tidaknya lempung, karena karakterisasi berdasarkan plastistas saja tidak cukup.

Tabel 3. Klasifikasi aktifitas lempung*

AktivitasKlasifikasi

< 0,75

0,75 1,25

>1,25Lempung tidak aktif

Lempung norma

Lempung aktif

*Sumber: Krebs, 1971

8.9. Konsistensi Tanah Asli

Tanah akan tetap dalam keadaan keseimbangan alami untuk beberapa lama, apabila struktur yang telah terbentuk dan tersusun oleh air tidak diganggu. Tanah berbutir halus yang dibebani, digeser, dimanipulasi atau dikerjakan akan terganggu, setidak-tidaknya sebagian. Penggangguan dapat terjadi secara alami (misal longsor pada tanah tidak stabil), namun demikian, sebagian besar tanah akan tetap dalam keadaan asli, sampai kegiatan manusia merubahnya.

Meskipun sebagian besar pembangunan jalan menyangkut bahan terganggu, namun tanah asli akan dijumpai pada galian dan sering digunakan sebagai pondasi bagi tanah dasar, timbunan dan struktur (misal jembatan).

Apabila dikaitkan dengan tanah asli, konsistensi mengandung arti sebagai besar relatif kohesi antara partikel-partikel tanah serta tahanan tanah terhadap gaya yang akan merubah bentuk atau meruntuhkan tanah. Dengan perkataan lain, konsistensi dapat diartikan sebagai sifat tanah yang menunjukkan kemudahan relatif untuk dirubah bentuknya. Istilah tersebut biasa digunakan terhadap tanah berbutir halus. Contoh beberapa istilah yang dapat digunakan konsistensi tanah adalah: lunak (soft), kokoh (firm), teguh (stiff), keras (hard).

Meskipun konsistensi sering dihubungkan dengan kuat tekan bebas, namun karena pada saat pengujian, contoh biasanya terganggu, maka korelasi konsistensi dengan kuat tekan bebas kurang dapat dipercaya. Disamping itu, hasil pengujian penetrasi standar (standard penetratin test) juga dapat digunakan untuk menyatakan konsitensi. Cara lain untuk memperkirakan konsistensi adalah berdasarkan perilakunya apabila dimanipulasi dengan tangan.

Pada Tabel 4. ditunjukkan konsistensi tanah kohesif asli berdasarkan beberapa parameter serta cara pengujian praktis. Pada setiap konsistensi, jumlah tumbukan adalah lebih kecil untuk lempung plastisitas tinggi dan lebih besar untuk lempung kelanauan plastisitas rendah.

Tabel 4. Konsistensi tanah kohesif asli dan cara pengujian praktis*

KonsistensiKuat Tekan Bebas (kg/cm2) Penetrasi (Tumbukan/ft)Pengujian Praktis

Sangat lunak (very soft)4,38>30 Tidak dapat digores jari.

Dapat digores kuku ibu jari dengan susah.

*Sumber: Krebs, 1971

Untuk menunjukkan karakteristik kondisi husus yang dipandang penting, mungkin perlu ditambah penjelasan (deskripsi) sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 5. Tabel 5. Deskripsi husus untuk konsistensi tanah berbutir halus*

DeskripsiKondisi Tanah

Rapuh (brittle) Runtuh dengan sedikit deformasi.

Merupakan karakteristik tanah tersementasi.

Sangat keras (indurated) Sangat keras; tersementasi sangat kuat; tidak lunak melalui pembasahan lama.

Membentuk lapisan yang disebut hardpan.

Mudah hancur (friable) Pada keadaan lembab, mudah dihancurkan ibu jari dan telunjuk dengan kekuatan lemah sampai moderat dan menyatu kembali bila ditekan bersama; bila kering, mudah dijadikan serbuk atau dihancurkan dengan tangan.

Sering berlaku pada tanah kohesif yang lekatannya kurang, bersifat seperti mika, atau mempunyai gugus struktur yang terbentuk akibat sementasi lemah dengan bahan organik.

Elastis (elastic) Bila beban dilepas, mudah melendut balik (rebound); kembali ke bentuk asal setelah dilendutkan kecil.

Merupakan karakteristik lanau dengan kandungan tinggi mika.

Keropos (spongy) Porus, lepas-lepas dan elastis, mempunyai kandungan tinggi bahan organik dan bahan berserat.

*Sumber: Krebs, 1971

Hal tersebut sangat berguna dalam melukiskan kondisi yang tidak biasa. Tanah berbutir halus dapat terbentuk pada hampir semua tingkat konsistensi, tergantung pada modus pembentukannya, sejarah geologi dan kadar air. Tanah keras dapat terbentuk melalui pemadatan, pengawetan (desiccation), sementasi partikel, atau melalui pembebanan yang besar. Tanah sangat lunak sering dijumpai pada sedimen baru yang terkait dengan muka air tinggi. Tanah residual jarang mempunyai konsitensi lunak.

8.10. Sensitifitas (sensitivity)Tanah berbutir halus dapat kehilangan kekuatannya dan kekakuannya apabila diganggu dan dibentuk kembali (remolded) pada kadar air dan kepadatan atau angka pori yang tetap, terutama pada kadar air tinggi. Penomena tersebut disebut sensitivitas, dimana untuk lempung, sensitifitas merupakan perbandingan antara kuat tekan bebas pada keadaan asli dengan kuat tekan bebas setelah dibentuk kembali.

Sensitifitas biasa dikelompokkan menjadi beberapa kelas sebagaimana yang ditunjukkan pada Tabel 6. Pada tabel tersebut terlihat bahwa lempung dapat kehilangan setengah kekuatannya dan masih dikatagorikan sebagai lempung tidak sensistif, atau dapat kehilangan hampir seluruh kekuatannya sehingga dikatagorikan sebagai lempung hidup (quick). Dalam prkatek, lempung hidup akan menjadi encer apabila dibentuk kembali. Apabila lempung sensitif diganggu, stabilitasnya dapat menurun yang diserta dengan deformasi geser progresif yang kemudian diikuti dengan terjadinya longsor. Gangguan umumnya merupakan ulah manusia. Sebagai prinsip dasar kiranya perlu diingat bahwa pelemahan progresif bersama deformasi terjadi pada tanah berbutir halus yang basah. Hal tersebut mengakibatkan sangat sulitnya rehabilitasi lereng galian dan timbunan, pondasi timbunan dan tanah dasar setelah longsor.

Tabel 6. Klasifikasi sensitifitas lempung*

SensitifitasKelas

64Tidak sensitif (insensitive)Sensitif moderat (moderate sensitive)Sensitif (sensitive)Sangat sensitif (very sensitive)Hidup ringan (slightly quick)Hidup medium (medium quick)Hidup (quick)

*Sumber: Krebs, 1971

8.11. Daya Kapiler dan Pengisapan (capillarity and suction)Apabila tabung gelas bersih yang mempunyai lubang sangat kecil ditempatkan secara vertikal pada permukaan air, maka akibat daya kapiler, air akan naik melalui tabung. Dengan demikian, maka daya kapiler dalam tanah umumnya dikaitkan dengan naiknya air dari permukaan air bebas, meskipun dalam kenyataan, pergerakan air dapat ke semua arah. Dengan daya kapiler, pada tanah (terutama tanah berbutir halus) dapat terbentuk suatu zona jenuh secara kapiler yang letaknya cukup jauh dari permukaan air bebas. Meskipun tanah pada zona tersebut tidak perlu benar-benar jenuh, karena sejumlah udara kemungkinan akan tetap mengisi rongga di sekitar partikel tanah, tetapi derajat kejenuhan yang tinggi akan bertahan untuk jangka waktu yang cukup lama. Di atas zona jenuh secara kapiler, tanah ada kemungkinan jenuh sebagian.

Terjadinya air kapiler diakibatkan oleh dua penomena, yaitu pertama, gaya tarik antara molekul-molekul air dimana pada perbatasan dengan udara, gaya tarik tersebut meningkat (tegangan tarik membentuk meniskus); penomena yang ke dua adalah gaya tarik antara air dengan dinding tabung sehingga terjadi pembasahan. Untuk air yang mempunyai suhu 15 0C, tegangan tarik permukaan adalah sekitar 0,075 gram/cm, dimana nilai tersebut akan agak menurun sesuai dengan meningkatnya suhu air. Derajat pembasahan dapat dinyatakan dengan istilah sudut kontak (contact angle). Sudut kontak 00 menunjukkan pembasahan sempurna, sedangkan sudut kontak yang lebih besar dari 900 menunjukkan tidak terjadi pembasahan, sebagaimana yang terjadi antara air raksa dengan dinding gelas.

Ditinjau dari segi pengaruh jelek air kapiler, kondisi paling kritis dijumpai pada lanau halus. Meskipun lempung mempunyai kenaikan air kapiler yang lebih besar daripada lanau, namun kenaikan air kapiler pada lempung berjalan jauh lebih lambat. Oleh karena itu, pembentukan daerah kejenuhan tinggi pada lempung akan jauh lebih lama daripada pembentukan pada lanau. Hasil percobaan (Krebs, 1971) menunjukkan bahwa kenaikan maksimum selama 24 jam terjadi pada contoh tanah yang mempunyai ukuran butir 0,02 mm.

Meskipun pemodelan daya kapiler berguna untuk memahami naiknya air, namun perlu diingat bahwa tertahannya air dalam tanah (lempung) tidak semata-mata akibat penomena tegangan tarik permukaan saja, tetapi merupakan cerminan daripada gabungan potensi daya kapiler, penyerapan dan osmotik. Pengaruh tersebut sering disebut penyerapan (suction). Oleh karena itu, pengaruh air terhadap sifat-sifat tanah yang lain sering dihubungkan pula dengan pengisapan, disamping dengan daya kapiler.

Nilai tipikal kenaikan air kapiler untuk beberapa jenis tanah ditunjukkan pada Tabel .7.

Tabel 7. Beberapa nilai tipikal kenaikan air kapiler*

Jenis TanahKenaikan Air Kapiler (cm)

Pasir kasar

Pasir

Pasir halus

Lanau

Lempung2-5

12-35

35-70

70-150

200->400

*Sumber: Krebs, 1971

8.12. Dilatansi

Dilatansi merupakan sifat tanah dimana apabila contoh tanah diletakkan pada telapak tangan dan kemudian diguncang-guncang (shaking), maka air yang terkandung pada contoh tanah akan naik ke permukaan sehingga permukaan tersebut nampak mengkilap, dan apabila contoh tanah ditekan (squeezed), maka air di permukaan akan hilang kembali dan pada contoh tanah dapat terjadi retak. Pengujian dilatansi sangat berguna untuk membedakan lanau dari lempung.

9. Udara dalam Tanah

Meskipun udara dalam tanah penting bagi pertanian (karena diperlukan oleh tanaman), namun untuk kepentingan rekayasa, sejauh mungkin udara perlu dikurangi (karena tidak menyumbang apapun terhadap kekuatan tanah).

9.1. Bakteri Erobik dan Jamur

Dalam tanah terdapat berbagai mikro organisme yang hidup pada bahan organik (berkumpul pada bagian permukaan tanah). Bagian terbesar mahluk tersebut (disebut bakteri aerobik dan jamur) memerlukan oksigen dan nitrogen yang terdapat dalam udara tanah.

Dalam teknik sipil, bakteri aerobik dan jamur perlu mendapat perhatian, karena mereka dapat menyerang dan menghancurkan bahan organik yang terdapat pada tanah dasar atau bagian perkerasan lain. Contoh, mikro biologi akan membusukkan yute (jute hessian) yang terdapat pada lapis permukaan beraspal prapabrikasi; hal yang sama akan terjadi pula pada beberapa jenis resin (misal vinsol) yang dicampurkan sebagai bahan pengedap tanah. Jones (yang melakukan penelitian untuk the Road Research Laboratory terhadap kasus yang terakhir) mempercayai bahwa serangan mikro organisme dapat dikurangi dengan cara mengeluarkan udara dari tanah.

9.2. Pergerakan Air Dalam Bentuk Uap

Pada kadar air di bawah kondisi jenuh, ruang udara dalam tanah dapat menjadi jalan bagi air untuk bergerak dalam bentuk uap. Oleh karena itu, pergerakan uap air dari satu posisi ke posisi yang lain dapat merubah kadar air tanah. Pergerakan tersebut merupakan akibat dari adanya perbedaan kelembaban relatif antara bagian-bagian tanah (kelembaban relatif uap air didefinisikan sebagai tekanan uap air dalam tanah yang dinyatakan sebagai persentase terhadap tekanan uap jenuh pada suhu yang sama).

Secara ringkas dapat dikatakan bahwa perbedaan kelembaban relatif terkait dengan vareasi jenis tanah, kadar air dan suhu. Di beberapa negara bercuaca dingin, suhu merupakan satu-satunya faktor yang dipandang penting dalam hubungannya dengan kondisi jalan raya, karena vareasi kadar air lokal hanya akan mengakibatkan perbedaan kelembaban relatif yang nyata apabila tanah mempunyai kadar air (lebih kecil dari sekitar 4 persen untuk pasir dan lebih kecil dari 10 % untuk lempung). Gradien suhu yang terjadi dalam tanah akibat siklus suhu harian dan tahunan dapat menimbulkan perbedaan nyata tekanan uap pada beberapa feet lapisan atas tanah; apabila terdapat lintasan bebas yang memungkinkan uap air mengalir, maka akan terjadi perpindahan kadar air.

Di bawah kondisi cuaca tertentu (dingin), pergerakan bebas uap air pada tanah yang hampir jenuh dapat dicegah sehingga perubahan kadar air yang cukup nyata dipandang tidak terjadi. Di sisi lain, pergerakan uap air mungkin perlu mendapat perhatian yang besar di daerah tropis dan kering dimana tanahnya mempunyai kadar air yang sangat rendah dan vareasi suhu yang sangat besar. Hal tersebut kemungkinan merupakan alasan terjadinya kadar air yang besar pada tanah di bawah beberapa perkerasan di daerah kering. Pemasangan lapis permukaan yang kedap dapat mencegah penguapan.

10. Air Dalam Tanah

Air mempunyai pengaruh besar terhadap sifat-sifat fisik tanah. Sebagian besar studi klasik dalam mekanika tanah, yaitu tentang konsolidasi, stabilitas dan pemadatan, menaruh perhatian terhadap hubungan antara air dan bahan padat tanah. Air berperan juga sebagai pelarut garam yang terdapat dalam tanah.

10.1. Pengaruh Air sebagai Bahan Cair terhadap Sifat-sifat Tanah

10.1.1. Pengaruh terhadap Kohesi

Tanah berbutir halus (lanau dan lempung) mempunyai kohesi mekanis yang lebih besar, karena partikel-partikel tanah terikat oleh film air. Kekuatan kohesi yang ditimbulkan oleh film air terdiri atas dua jenis; pertama, kekuatan yang ditimbulkan oleh adanya tegangan tarik permukaan pada bidang pertemuan udara dan air; ke dua, kekuatan yang ditimbulkan oleh interaksi antara partikel-partikel tanah atau antara partikel-partikel tanah dengan molekul air.

Kohesi akibat gaya tarik permukaan terjadi pada kadar air yang rendah dimana tanah masih mengandung udara yang cukup. Konsep teoritis kohesi pada kondisi tersebut telah dirumuskan oleh Haines sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5. (dua butir tanah ideal yang mempunyai diameter sama dihubungkan oleh film air). Gaya tarik permukaan yang bekerja secara tangensial terhadap permukaan butir menarik kedua butir tersebut dan penurunan tekanan pada film air juga menarik kedua butir. Kekuatan total (f) yang menarik kedua butir dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut:

f =

. [6] dimana : T = gaya tarik permukaan, a = jari-jari butir dan = sudut sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5.

Pada persamaan di atas terlihat bahwa kohesi meningkat apabila sudut menurun (sejalan dengan penurunan film air). Hal tersebut merupakan alasan meningkatnya kohesi akibat gaya tarik apabila tanah dikeringkan.

Apabila gaya kohesif per satuan luas dihitung dari persamaan di atas, maka nila tersebut proporsional dengan T/a (tekanan kohesif makin meningkat sejalan dengan meningkatnya gaya tarik permukaan dan menurunnya ukuran butir). Oleh karena itu, pengalaman menunjukkan bahwa kohesi yang besar terjadi pada lempung, karena butir-butirnya berukuran butir yang sangat kecil.

Meskipun teori Haines berlaku untuk butir tanah yang ideal bulat, namun diketahui bahwa bentuk butir lempung adalah pipih. Pada kasus tersebut, Nichols telah mengembangkan persamaan sebagai berikut:

f =

. [7] dimana c adalah konstanta dan d adalah jarak antara dua butir berbentuk pelat. Ternyata bahwa partikel pipih mempunyai kohesi yang lebih besar daripada partikel bulat.

Konsep teoritis mengenai kohesi yang terkait dengan ion bermuatan listrik dalam air telah dikembangkan oleh Russel dimana air tanah berperan sebagai bahan pengikat. Di dalam tanah terdapat ion bermuatan positif (kation) seperti Na+, Ca++ dan Al+++ yang jumlahnya cukup untuk mengimbangi muatan negatif pada partikel tanah, sehingga sistem menjadi netral. Dalam berbagai tingkat, kation juga dapat terhidrasi sehingga meningkatkan pembentukan mata rantai molekul-molekul air yang terorentasi. Apabila kation yang terhidrasi tersebut terletak dekat dengan partikel tanah, maka dua set molekul air akan membentuk rantai yang mengikat ion dan permukaan partikel tanah. Hubungan silang juga dapat terjadi, dimana suatu ion yang terletak antara dua partikel tanah yang berdekatan dapat berperan sebagai jembatan antara kedua partikel sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6.

Akan terlihat bahwa jenis kohesi yang digambarkan oleh Russel merupakan pengaruh permukaan. Oleh karena itu, hal tersebut terutama dijumpai pada lempung dimana luas permukaan butir per satuan berat sangat besar. Kohesi juga tergantung pada jenis ion yang terdapat dalam tanah serta karakteristik elektrik permukaan partikel, yaitu komposisi kimia dan struktur partikel.

Sejauh ini, kekuatan kohesi yang diuraikan di atas dianggap bekerja pada tanah yang mempunyai kadar air rendah. Meskipun diketahui bahwa kohesi menurun cepat sejalan dengan meningkatnya kadar air, namun tabiat kekuatan antara partikel pada kadar air yang tinggi masih merupakan spekulasi. Meskipun demikian, diyakini bahwa hal tersebut merupakan fungsi kekuatan Van der Waal mengenai tarikan (atrraction) antara partikel serta kekuatan elektrostatik mengenai tolakan (repulsion) yang diakibatkan oleh muatan yang terkait dengan partikel.

10.1.2. Pengaruh terhadap Pengisapan Tanah (soil suction)Istilah pengisapan tanah sering digunakan secara bergantian dengan istilah potensi kapiler. Secara sederhana dapat diartikan bahwa pengisapan tanah adalah kekuatan yang menahan air pada lingkaran pinggir pembuluh kapiler di atas permukaan air.

Pada uraian terdahulu disebutkan bahwa molekul air dapat bergabung dengan permukaan partikel tanah. Dalam hal tersebut, molekul air pada umumnya dipandang dalam keadaan terserap, yaitu terhidrasinya permukaan partikel. Kekuatan yang menyebabkan terjadinya hidrasi bersama-sama dengan kekuatan tarik permukaan (yang terjadi pada bidang kontak antara air dan udara sebagaimana yang telah diuraikan) bergabung untuk menghasilkan suatu kondisi tekanan yang menurun atau pengisapan dalam air yang besarnya tergantung pada kadar air tanah. Menurut percobaan, hubungan antara pengisapan dan kadar air untuk semua jenis tanah ternyata bersifat menerus, yaitu pengisapan meningkat cepat sesuai dengan menurunnya kadar air.

Pada lempung yang biasanya jenuh pada kadar air di atas sekitar 15 %, diketahui bahwa pengisapan terutama merupakan akibat hidrasi partikel, sedangkan pada tanah berbutir, kekuatan tarik mempunyai peranan yang lebih penting.

Hasil percobaan menunjukkan bahwa peningkatan pengisapan tanah yang sejalan dengan penurunan kadar air berlangsung menerus pada seluruh rentang kadar air. Nilai tersebut mulai dari nol untuk tanah jenuh sampai beberapa ratus kilogram per centimeter persegi untuk tanah yang kering oven. Vareasi yang besar tersebut memerlukan penggunaan skala logaritma, apabila sedang meninjau seluruh hubungan antara pengisapan dengan kadar air. Apabila pengisapan tanah dinyatakan dengan tingginya kolom air, logaritma tinggi kolom tersebut yang dinyatakan dalam centimeter biasa adalah ekivalen dengan nilai pF kadar air; contoh, air kapiler yang tingginya 30,5 cm (10 ft) setara dengan pF 2,48 (= log 30,5).

Pada Tabel 8. ditunjukkan hubungan antara nilai pF dengan pengisapan tanah yang dinyatakan dengan tinggi kolom air dan tegangan. Sebagai akibat skala logaritma, pada Tabel 8. terlihat bahwa pF = 0 tidak sejalan dengan pengisapan yang bernilai nol.

Terjadinya pengisapan tidak memerlukan air tanah. Apabila contoh jenuh dikeringkan di laboratorium, pengisapan akan terjadi bersamaan dengan terbentuknya meniskus pada pori (pore entrances). Dengan pengeringan terus, jari-jari meniskus akan makin mengecil dan pengisapan makin membesar sehingga menghasilkan tegangan efektif positif yang besar dan tanah yang tertekan akan terlihat menyusut. Akibat pengeringan terus, jari-jari meniskus dan jari-jari pori akan mencapai batas terendah, dan pengeringan selanjutnya akan mengakibatkan pori menjadi kosong dengan sedikit peningkatan pengisapan atau penyusutan. Pada kadar air yang sangat rendah, hilangnya sudut kontak dan air higroskopik mengakibatkan peningkatan pengisapan lebih lanjut sampai mencapai tingkat yang sangat tinggi. Apabila semua pori mempunyai ukuran yang sama, penurunan sedikit kadar air akan mengakibatkan peningkatan pengisapan yang tiba-tiba sampai meniskus penuh terbentuk dan pori mulai kosong. Peningkatan pengisapan yang curam adalah tidak biasa untuk tanah, tetapi diilustrasikan oleh kapur lunak (soft chalk) sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 7. Sehubungan dengan hal tersebut, sebaiknya tanah mempunyai ukuran pori yang bermacam-macam, yaitu agar pengurangan kadar air dapat berlangsung sedikit demi sedikit sesuai dengan peningkatan pengisapan, sebagaimana yang ditunjukkan oleh lempung berat pada Gambar 7.

Stabilitas tanah dapat dipengaruhi oleh pengisapan sebagaimana yang diilustrasikan pada Gambar 8, dimana pada pengisapan yang rendah, perubahan kekuatan relatif adalah cukup nyata. Untuk tanah yang plastisitasnya rendah atau tidak plastis, kekuatan terkait langsung dengan tegangan efektif dan kemudian dengan kenaikan pengisapan (tegangan kapiler pada air). Oleh karena itu, peningkatan kekuatan akibat pengisapan adalah dramatis, sepanjang kelembaban kapiler tetap berlangsung.

Tabel 8.Hubungan antara nilai pF dengan tinggi kolom air dan tegangan (Sumber: TRRL, 1952)

pFPengisapan

Kolom Air (cm)Tegangan (kg/cm2)

0

1

2

3

4

5

61

10

100

1000

10000

100000

10000000,000999256

0,00999256

0,0999256

0,999256

9,99256

99,9256

999,256

10.1.3. Pengaruh terhadap Pemuaian (swelling)Dampak daripada hidrasi partikel adalah pemuaian pada tanah lempung. Pada jarak yang pendek dari permukaan partikel lempung, kekuatan pengorentasian dan penyerapan yang bekerja pada molekul air adalah sangat kuat dan air dipandang lebih menyerupai bahan padat daripada sebagai bahan cair (air serapan). Apabila lapis air serapan terbentuk pada saat pembasahan lempung, maka volume efektif bahan padat (yang terkait dengan masing-masing partikel) meningkat; apabila lapis air serapan berhubungan satu sama lain, maka pemuaian masing-masing lapisan akan ditunjukkan dengan peningkatan volume total struktur tanah.

Dalam praktek, tebal air serapan pada lempung akan makin tebal, sampai tekanan penyerapan pada air sama dengan tekanan beban (overburden pressure) pada permukaan tanah, baik sebagai akibat pembebanan tanah sendiri maupun akibat beban luar. Apabila beban meningkat pada saat kesimbangan dicapai, maka tebal film air serapan berkurang sehingga terjadi penurunan. Penomena tersebut disebut konsolidasi. Struktur yang terbentuk dalam lempung mudah mengalami perubahan kadar air, bertambah atau berkurang, tergantung pada kondisi perubahan kadar air tersebut.

10.1.4. Pengaruh terhadap Penyusutan (shrinkage)Meskipun penyusutan pada lempung mungkin merupakan akibat dari beban luar (konsolidasi), namun hal tersebut sering terkait dengan hilangnya air akibat penguapan atau penyerapan oleh tumbuhan. Grafik tipikal yang menunjukkan hubungan antara volume tanah dengan kadar air ditunjukkan pada Gambar 9.

Pada Gambar 9 terlihat bahwa grafik terdiri atas dua bagian; bagian pertama adalah garis linear, sedangkan bagian ke dua adalah garis non-linear dimana untuk penurunan kadar air yang sama dengan penurunan kadar air pada bagian pertama, penurunan volume adalah lebih kecil.

Pada bagian pertama, penurunan volume tanah adalah ekivalen dengan volume air yang hilang, namun tanah tetap dalam keadaan jenuh; sedangkan pada bagian ke dua, udara mulai memasuki tanah sehingga penurunan volume tanah menjadi relatif kecil.

Apabila garis pertama diperpanjang sehingga memotong garis mendatar yang melewati titik volume pada kadar air nol, maka kadar air pada perpotongan kedua garis tersebut dikenal dengan batas susut (SL), yaitu kadar air dimana pada kadar air dibawahnya, tanah hanya mengalami penyusutan yang kecil.

10.1.5. Pengaruh Terhadap Konsistensi

Pada saat suatu masa tanah diberi tegangan di atas batas elastisnya, maka tanah tersebut akan berubah bentuk dan runtuh. Apabila tanah bersifat kohesif dan kadar airnya cukup tinggi, maka terjadinya deformasi tidak diikuti dengan pemisahan struktur, tetapi akan diikuti dengan pengaliran plastis. Dengan demikian, plastisitas merupakan karakteristik tanah dimana hubungannya dengan sifat-sifat fisik dan kinerja mekanis sangat penting dalam klasifikasi tanah.

Terjadinya plastisitas tanah disebabkan oleh pengaruh pelumasan oleh film air terhadap butir-butir tanah yang berdekatan. Oleh karena itu, plastistisitas tanah tergantung pada faktor-faktor yang mempengaruhi luas dan tebal film air, yaitu ukuran dan bentuk masing-masing butir serta sifat-sifat kimia permukaan butir-butir tersebut. Karena tebal film air terutama tergantung pada kadar air, maka karakteristik plastisitas tanah biasanya diteliti melalui penentuan kadar air yang diperlukan untuk menjadikan tanah dalam keadaan berbagai tingkat plastisitas. Meskipun metoda penentuan kadar air tersebut berbeda untuk setiap cabang teknologi tanah, namun metoda yang semula dikembangkan oleh Atterberg untuk pertanian telah digunakan secara luas dalam rekayasa tanah.

Pengkajian sifat-sifat tanah yang dibentuk kembali dalam kaitannya dengan kadar air telah menghasilkan hubungan antara konsitensi dengan kadar air yang menjadi dasar untuk berbagai kepentingan yang terkait dengan tanah berbutir halus, yaitu klasifikasi, identifikasi, pendeskripsian, pengecekan keseragaman persediaan bahan serta untuk penilaian kecocokan penggunaan dan penanganan sebagai bahan jalan.

Konsistensi pada kondisi terganggu tegantung pada kadar air. Dengan penambahan air secukupnya, lempung yang dalam keadaan aslinya kokoh (stiff) dapat dijadikan bubur (melalui pengadukan). Apabila bubur tanah dikeringkan melalui penguapan, maka tanah akan makin kental sampai pada suatu tingkat dimana sifat keencerannya hilang dan berubah menjadi plastis. Dengan melanjutkan pengeringan, plastisitas tanah akan hilang, meskipun tanah masih dapat dibentuk dengan jari tangan. Pengeringan lebih lanjut akan mengakibatkan retaknya benang tanah pada saat digulung. Pada kondisi tersebut tanah dalam keadaan semi padat dan pengeringan seterusnya menjadikan tanah dalam keadaan kering dan padat (solid). Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 10, konsitensi tanah dapat dibagi menjadi empat tingkat, yaitu cair, plastis, semi padat dan padat. Pada gambar tersebut ditunjukkan bahwa melalui penambahan/ pengurangan air dan pembentukan kembali, secara perlahan-lahan tanah dapat berubah dari satu tingkat konsistensi ke tingkat konsistensi yang lain.

Berdasarkan metoda pengujian standar, kadar air yang menjadi batas konsitensi perlu ditentukan. Oleh karena itu, batas-batas kadar air yang ditetapkan adalah batas cair (kadar air yang menjadi batas antara kondisi cair dan plastis dan batas plastis (kadar air yang menjadi batas antara kondisi plastis dan semi padat). Disamping itu, terdapat kadar air di bawah batas plastis dimana pengeringan mulai kadar air tersebut, penyusutan tanah berhenti. Kadar air tersebut disebut batas susut, yaitu kadar air terendah dimana tanah masih dalam keadaan semi padat. Pada batas susut, film air menghilang dari butir tanah sehingga tanah menjadi kusam (tone). Perbedaan antara batas cair dengan batas plastis dikenal dengan indeks plastis, sedangan batas cair dan batas plastis dikenal pula sebagai batas Atterberg..

Baik batas cair maupun batas plastis tergantung pada kandungan lempung dalam tanah. Tanah yang mengandung banyak lempung biasanya mempunyai batas cair dan batas plastis yang tinggi, sedangkan tanah kurang kohesif berpasir mempunyai batas cair dan batas plastis yang lebih rendah. Sebagian besar lempung mempunyai batas cair yang berkisar antara 50 sampai 90 persen. Batas cair yang nilainya lebih kecil dari 20 persen merupakan batas cair yang luar biasa dan sulit ditentukan secara eksperimen. Tanah yang mengandung banyak bahan organik mempunyai batas cair dan batas plastis yang lebih tinggi daripada tanah yang sama tetapi tidak mengandung bahan organik, meskipun kedua tanah tersebut mempunyai indeks plastis yang sama.

Secara umum dapat dikatakan bahwa indeks plastis merupakan fungsi kandungan lempung, sedangkan batas cair dan batas plastis merupakan fungsi kandungan dan jenis lempung. Sehubungan dengan hal tersebut, apabila batas cair dihubungkan dengan indeks plastis, perbedaan hubungan tersebut akan merupakan akibat perbedaan jenis lempung, kecuali untuk tanah yang mengandung banyak bahan organik dan tanah yang partikel-partikelnya porus dan berongga, dimana kedua jenis tanah tersebut mempunyai batas cair yang relatif tinggi untuk indeks plastis tertentu.

Berdasarkan batas cairnya, tanah dapat dibagi menjadi lima kelompok sebagai berikut:

Batas cair rendah: batas cair 20 25 % Batas cair menengah: batas cair 25 50 % Batas cair tinggi: batas cair 50 70 % Batas cair sangat tinggi: batas cair 70 90 % Batas cair ekstra tinggi: batas cair >90 %Untuk menyatakan plastisitas tanah kadang-kadang digunakan istilah gemuk (fat), kurus (lean), plastis dan lunak (soft). Namun demikian sitilah tersebut kurang berguna apabila tidak disertai dengan definisi yang jelas tentang cara mengukurnya. Meskipun sejauh ini tidak ada standar, namun definisi plastisitas yang ditunjukkan pada Tabel 9. umum digunakan. Prosedur tersebut sangat berguna terutama pada saat pencatatan (logged) contoh hasil pemboran mungkin tidak sampai ke laboratorium.

Tabel 9. Derajat plastisitas*

Tingkat PlastisitasIndeks PlastisKekuatan KeringPengujian Lapangan**

Tidak plastis0 5Sangat rendah; terlekat lemah dan getas (fragile); mudah dihan-curkan dengan ibu jari dan telunjuk. Masa tanah mudah dirubah bentuk; bentuk bola sulit mem-pertahankan.

Plastis moderat5 15Rendah sampai medium; dapat dihancurkan dengan tangan tan-pa kesulitan, tetapi sulit dipecah-kan dengan ibu jari dan telunjuk.Untuk merubah bentuk diperlu-kan tekanan ringan; mempunyai kohesi moderat.

Plastis16 35Medium sampai tinggi; dapat di-pecahkan dengan tangan berte-naga; dapat dipecahkan di bawah telapak tangan yang dibebani dengan badan.Untuk merubah bentuk diperlu-kan tekanan agak besar; bila di-gores dengan mata pisau atau kuku akan mengkilap; bila dire-mas-remas akan mengering se-cara perlahan-lahan.

Sangat plastis>35Sangat tinggi; tidak dapat dipecahkan di bawah telapak tangan.Untuk merubah bentuk diperlu-kan tekanan besar; ulet; mem-punyai kohesi tinggi; hilangnya air sangat lambat.

*Sumber: Kerbs, 1971**kadar air contoh mendekati batas plastis

Meskipun indeks plastis tidak selalu berkorelasi langsung dengan sifat-sifat teknis tanah, tetapi untuk tanah anorganik hal tersebut umumnya benar, yaitu indeks plastis yang makin meningkat akan meningkatkan kekuatan geser pada batas plastis, pemampatan pada batas cair dan potensi perubahan volume sesuai dengan perubahan kadar air.

Pengkajian hubungan antara batas plastis dengan batas cair telah memberikan gambaran yang lebih baik tentang derajat plastisitas. Telah terbukti bahwa dengan bantuan grafik plastisitas, beberapa sifat lempung dan lanau dapat dikorelasikan dengan batas Atterberg sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 10.

Tabel 10. Hubungan umum batas Atterberg, indeks plastis dan sifat-sifat teknis1)KarakteristikPerbandingan Dua Kelompok Tanah2)Perbandingan Dua Kelompok Tanah3)

Pemampatan

Permeabilitas

Perubahan volume

Keuletan (toughness) dekat PL

Kekuatan keringKira-kira sama

Menurun

Meningkat

Meningkat

MeningkatMeningkat

Meningkat

Meningkat

Meningkat

1) Sumber: Kerbs, 1971

2) Batas cair sama, indeks plastis meningkat; 3) Indeks plastis sama, batas cair meningkat

10.1.6. Pengaruh Terhadap Kepadatan

Sifat lain tanah yang dipengaruhi oleh pelumasan butir-butir tanah oleh air adalah kepadatan, dimana butir-butir tanah merapat lebih dekat sebagai akibat keluarnya udara. Apabila tanah dipadatkan (dengan menggunakan daya pemadatan tertentu) pada berbagai kadar air yang makin meningkat, maka kepadatan tanah akan mencapai nilai maksimum dan kemudian menurun sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 11.

Apabila tanah kering dipadatkan, maka gesekan antara butir akan menahan pergeseran antara butir-butir tersebut sehingga perubahn volume tanah menjadi kecil. Apabila pemadatan dilakukan pada tanah yang telah ditambah air, maka air akan melumasi butir-butir tanah sehingga butir-butir tersebut akan merapat lebih dekat dan tanah menjadi padat. Apabila tanah terus ditambah air, maka mulai kadar air tertentu, tanah akan menjadi jenuh sehingga pemadatan akan menghasilkan kepadatan yang lebih rendah.

10.1.7. Pengaruh Terhadap Permeabilitas

Disamping penyerapan (suction), gaya hidrostatis lain mungkin akan timbul sebagai akibat gravitasi, tekanan luar dan pembentukan es sehingga menambah pergerakan air dalam tanah. Peningkatan pergerakan tersebut, sebagian tergantung pada besarnya ketiga gaya yang telah disebutkan, sedangkan sebagian lagi tergantung pada tahanan tanah untuk mengalirkan air, yaitu permeabilitas; dimana permeabilitas selanjunya mempengaruhi sifat-sifat drainase dan konsolidasi.

10.2. Pengaruh Air sebagai Bahan Pelarut terhadap Sifat-sifat Tanah

Disamping memiliki sifat-sifat fisik murni, air dalam tanah juga memiliki sifat lain yang dipandang penting dalam bidang rekayasa, yaitu sifatnya sebagai pelarut.

Sifat air sebagai pelarut ditunjukkan pada saat pembentukan tanah dari batuan induknya. Penghancuran batuan induk menjadi fragmen-fragmen merupakan tahap awal pembentukan tanah secara fisik, sedangkan pelapukan fragmen-fragmen dan pemindahan elemen-elemen merupakan tahap selanjutnya pembentukan tanah melalui proses kimia oleh air. Pada saat elemen-elemen tanah terkena air, maka sebagian elemen tersebut berubah menjadi larutan yang secara kasar dapat dibagi menjadi dua kelompok, yaitu garam dan bahan organik.

Garam yang larut dalam pelarut akan memperbesar ion bermuatan positif (kation) yang terdapat pada logam, yaitu sodium, magnesium, kalsium dan almunium dimana ion-ion tersebut mempunyai sifat yang mudah diserap oleh permukaan partikel tanah. Ion-ion tersebut sering disebut sebagai basa yang dapat ditukar (exchangeable bases) dan sifatnya dalam tanah mempunyai pengaruh yang besar terhadap sifat-sifat tanah.

Ion hidrogen (H+) juga terbentuk pada semua larutan yang biasanya dikaitkan dengan jumlah ion hidroxil (OH), karena kedua ion tersebut merupakan hasil penguraian air menurut persamaan sebagai berikut :

H2O ( H+ + OH . [8] Pada air yang benar-benar netral, ion hidrogen dan hidroxil mempunyai konsentrasi yang sama dan larutan disebut mempunyai reaksi netral. Namun demikian, apabila konsentrasi ion hidrogen lebih besar dari konsentrasi ion hidroxil, maka larutan bersifat asam.

Untuk menyatakan secara kuantitatif keasaman dan alkalinitas suatu larutan digunakan skala pH, dimana nilai pH merupakan kebalikan konsentrasi ion hidrogen yang dinyatakan dalam skala logaritma berbasis 10. Pada skala tersebut, larutan netral mempunyai pH = 7, sedangkan asam mempunyai pH yang lebih rendah dan alkalin mempunyai pH yang lebih tinggi. Skala pH dapat digunakan untuk menilai reaksi air dalam tanah. Dewasa ini telah dikembangkan banyak metoda untuk keperluan tersebut, diantaranya adalah yang dilakukan melalui pengukuran potensial listrik yang terjadi antara elektroda yang dicelupkan dalam campuran yang terdiri atas 1 bagian tanah dan 3 bagian air.

Disamping meningkatkan ion metalik, juga garam dapat mempengaruhi struktur tanah atau bangunan teknik melalui cara sebagai berikut :

Penyerangan/penghancuran beton dan bahan lain yang mengandung semen. Pembubaran/pemisahan bahan porus, termasuk tanah, melalui pembentukan kristal. Pembentukan karat logam, miasl pipa besi.

Garam yang biasanya perlu diperhatikan adalah berbagai jenis sulfat, terutama sodium, magnesium dan kalsium. Sulfat kalsium terjadi secara alami pada tanah (biasanya lempung) dalam bentuk gipsum kristalin. Di beberapa wailayah, sulfat sodium dan magnesium terjadi pada tingkat yang lebih rendah pada tanah, tetapi karena lebih mudah larut daripada garam kalsium, maka kedua sulfat tersebut mempunyai petensi yang lebih berbahaya.

Terjadinya penghancuran bahan mengandung semen oleh garam diperkirakan disebabkan oleh pembentukan sulfo-aluminat kalsium, yaitu sebagai akibat dari reaksi antara komponen sulfat dengan komponen almunium yang terdapat dalam semen. Komponen tersebut sangat terhidrasi dan mengandung 31 molekul air hidrasi. Tegangan internal pada bahan mengandung semen yang terjadi melalui pemuaian akibat pembentukan sulfo-aluminat kalsium sudah cukup untuk memisahkan matriks semen serta menghancurkan seluruh bahan.

Kristalisasi sederhana beberapa jenis garam juga merusak bahan porus. Hal tersebut perlu diperhatikan di daerah kering, dimana air dalam tanah dapat naik cukup tinggi. Garam seperti sulfat sodium dapat terbawa oleh air dan terkumpul pada permukaan tanah; selanjutnya kristalisasi garam tersebut akan merusak struktur tanah sehingga terbentuk yang disebut dengan didihan garam (salt boils).

Sulfat juga merupakan faktor utama yang mengakibatkan terjadinya karat pada pipa logam yang terletak pada lempung di daerah genangan (waterlogged clay soils). Diyakini bahwa jenis karat tersebut terjadi sebagai akibat kegiatan bakteri pengurang sulfat anerobik (anaerobic sulphate-reducing bacteria) dengan nama generik desulphovibrio desulphuricans. Organisme tersebut dipandang dapat mengurangi sulfat dalam tanah dengan cara menggunakan hidrogen yang dilepaskan pada elemen katodik sel-sel galvanik yang terbentuk pada permukaan logam. Oleh karena itu, maka polarisasi akan tercegah dan terjadinya karat akan berlangsung tanpa kehadiran oksigen. Beberapa kasus korosi pada pipa yang tertanam telah diselidiki oleh the Chemical Research Laboratory (D.S.I.R.) dimana hasilnya menunjukkan bahwa sebagian besar kasus terjadi pada lingkungan lempung dan terkait dengan kegiatan mikroba yang memerlukan sulfat.

Bahan organik juga dapat larut (dissolved) dalam air yang melewati tanah, meskipun wujud campuran antara bahan organik dengan air tidak diketahui secara tepat, sebagai larutan murni atau sebagai koloidal. Dengan demikian, maka bahan organik di bagian atas tanah dapat terbilas oleh air dan mengendap di bagian bawah tanah sehingga membentuk zona gelap. Kemungkinan juga bahwa bahan organik mempengaruhi re-distribusi elemen-elemen mineral tanah, karena diketahui bahwa besi membentuk bahan kompleks dengan komponen organik tertentu. Dengan demikian, maka besi mungkin terpindahkan dari beberapa bagian tanah dan kemudian mengendap dalam bentuk partikel silika bulat menyerupai beton.

11. Bahan Padat dalam Tanah

Bahan padat dalam tanah terdiri atas campuran bahan yang dihasilkan dari pelapukan fisik dan kimia batuan serta bahan organik yang terdiri atas hasil pembusukan sisa-sisa tumbuhan atau binatang. Ditinjau dari asal kejadian dan sifatnya, kedua kelompok bahan tersebut sangat berbeda sehingga perlu ditinjau secara terpisah.

11.1. Bahan Organik

Bahan organik berasal dari tumbuhan atau binatang mati yang kemudian membusuk, baik melalui proses kimia ataupun kegiatan bakteri. Fraksi yang berasal dari binatang volumenya relatif sedikit dan cenderung tidak terakumulasi dalam tanah, karena sisa binatang cepat membusuk dan hasil pembusukan merupakan makanan bagi tumbuhan yang masih hidup. Di sisi lain, fraksi yang berasal dari tumbuhan volumenya besar dan tetap berada pada tanah untuk jangka waktu yang panjang, karena proses pembusukannya memerlukan waktu yang lama. Volume kedua jenis bahan organik dalam tanah tergantung pada pasokan dari organisme yang mati serta produk pembusukan (yang mungkin dipindahkan).

Karena berasal dari organisme yang hidup pada atau dekat permukaan tanah, dalam kondisi normal, bahan organik cenderung berkumpul pada bagian permukaan yang mempunyai tebal 2 sampai 12 inci (5 sampai 30 cm). Namun demikian, peluluhan pada tanah berpasir kemungkinan akan mengakibatkan terendapkannya bahan organik di bagian yang lebih dalam. Disamping itu, cacing tanah kemungkinan dapat menambah kedalaman lapis bahan organik. Distribusi endapan organik seperti pit, lignit atau batu bara dikondisikan oleh faktor-faktor geologi sehingga dapat terletak jauh di bawah permukaan.

Komposisi bahan organik tergantung pada kelebatan tumbuhan serta tingkat pembusukan. Dengan demikian, pada tanah di hutan, sebagian besar bahan organik berasal dari ranting dan daun, sedangkan pada tanah di padang rumput, bahan organik terutama berasal dari daun dan akar rumput-rumputan. Pada beberapa kasus, bahan organik mungkin mengandung sisa tumbuhan yang masih dapat dilihat, sedangkan pada kasus yang lain, pembusukan telah terjadi sedemikian rupa sehingga struktur asli tumbuhan sudah lenyap dan hanya meninggalkan bahan berwarna gelap yang disebut humus. Bahan organik dan humus hasil pembusukan yang baru mempunyai karakteristik yang berbeda dengan bahan organik kelompok pertama. Ditinjau dari fisik atau kimia, kelompok pertama (terdiri atas partikel makro atau serat) masih dalam keadaan aslinya, sedangkan humus bersifat asam dan koloidal serta mempunyai kapasitas yang besar untuk menukar basa dan menyerap air sehingga dapat merubah volume yang sangat besar. Bahan organik yang ke dua tersebut dipandang merupakan bahan kompleks yang berasal dari lignin dan protein tumbuhan dimana komposisi rinci antara tanah yang satu dengan tanah yang lain berbeda.

Bahan organik mempunyai sifat teknis yang tidak menguntungkan, karena strukturnya yang terbuka mirip busa serta bahannya yang secara mekanis lemah. Apabila dibebani atau kadar airnya berubah, bahan tersebut mudah mengalami perubahan volume; kadar air aslinya juga sangat tinggi (100 sampai 500 persen) sehingga stabilitas mekanisnya sangat rendah. Sifat asam cenderung menimbulkan reaksi asam dengan air dan selanjutnya dapat menimbulkan karat pada logam yang ditanam dalam tanah.

Tanah yang mengandung banyak bahan organik perlu dibuang. Apabila hal tersebut tidak memungkinkan (sebagaimana halnya terhadap endapan pit yang tebal) dan relokasi jalan tidak mungkin dilakukan, maka cara mengatasinya pada pekerjaan jalan yang akan melayani lalu-lintas ringan adalah dengan memasang karpet atau memilih bahan jalan yang ringan sehingga jalan seolah-olah terapung.

Sejauh ini belum diketahui konsentrasi bahan organik yang mulai dapat mempengaruhi karakteristik tanah. Pengaruh secara kimia telah ditunjukkan pada stabilisasi semen terhadap tanah yang mengandung sekitar 0,5 % berat bahan organik, tetapi karakteristik fisik tanah biasanya tidak terpengaruh apabila kandungan bahan organiknya di bawah 2 sampai 4 %.

Untuk mengetahui kandungan organik dalam tanah telah dikembangkan beberapa metoda, baik yang didasarkan pada berat tanah setelah bahan organiknya dihilangkan atau yang didasarkan pada persentase karbon organik dalam bahan organik (dianggap konstan, yaitu sekitar 58 % dari bahan organik).

11.2. Bahan Anorganik

Bahan anorganik atau komponen mineral biasanya merupakan bagian terbesar tanah. Bahan tersebut berasal dari berbagai jenis batuan yang terbentuk pada kulit bumi, yaitu melalui proses pembentukan tanah atau proses pedogenik, baik secara fiksik maupun kimia.

Pelapukan fisik atau pelapukan primer mencakup penghancuran batuan sebagai akibat adanya perbedaan pemuaian dan penyusutan yang mengikuti perubahan suhu serta proses glasial dan abrasi batuan oleh angin dan air sehingga menghasilkan partikel-partikel. Proses pelapukan sekunder pada dasarnya berlangsung secara kimia yang terjadi melalui peluluhan oleh air yang mengandung karbon dioksida sehingga terjadi pemindahan berbagai bahan kimia ke berbagai zona tanah. Sifat bahan hasil proses pelapukan fisik dan kimia dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu batuan induk, cuaca, topografi, tumbuh-tumbuhan masa geologi.

Bahan mineral dalam tanah biasanya terjadi dalam bentuk berbagai jenis partikel padat, dimana karakteristik fisik tanah yang didominasi oleh bahan anorganik merupakan pencerminan daripada sifat-sifat partikel-partikel tersebut. Beberapa sifat penting daripada partikel adalah ukuran, bentuk dan kandungan mineralnya.

Ukuran dan bentuk partikel sampai tingkat tertentu merupakan fungsi kandungan mineral, misal, pada tanah yang mengandung mika, struktur partikel adalah laminar. Mineral yang sangat keras (misal kwarsa) mempunyai bentuk butir yang kurang bulat dibandingkan dengan bentuk butir mineral yang lebih lunak, meskipun di bawah kondisi pelapukan yang sama. Mineral lempung almunium-silikat yang terdiri atas kaolin dan montmorilonit terjadi hanya dalam ukuran yang halus, kemungkinan sebagai akibat modus pembentukannya.

Sifat-sifat yang paling berpengaruh terhadap karakteristik fisik partikel adalah ukuran butir, yang dievaluasi melalui distribusi butir. Karena tidak mungkin dilakukan untuk setiap butir, maka penentuan ukuran butir dilakukan menurut voulme/berat butir yang ukurannya terletak antara beberapa pasangan batas ukuran. Batas ukuran tersebut dinyatakan dengan istilah diameter butir ekivalen (equivalent particle diameters) dimana butiran dianggap bulat. Ukuran di antara dua batas disebut fraksi tanah dan diberi nama sesuai dengan jenis tanah, yaitu pasir, lanau, lempung.

Berbagai sistem batasan ukuran butir telah dikembangkan oleh para ahli, sesuai dengan keperluan berbagai cabang teknologi tanah, diantaranya adalah :

Fraksi kerikil, yang butiran berdiameter ekivalen antara 60 dan 2,0 mm. Fraksi pasir, yang butiran berdiameter ekivalen antara 2,0 dan 0,06 mm. Fraksi lanau, yang butiran berdiameter ekivalen antara 0,06 dan 0,002 mm. Fraksi lempung, yang butiran berdiameter ekivalen lebih kecil dari 0,002 mm.

Untuk pasir dan lanau, fraksi di atas dapat dibagi lagi menjadi fraksi kasar, medium dan halus.

Setiap fraksi mempunyai karakteristik spesifik dan sifat tersebut akan ditunjukkan oleh tanah yang didominasi oleh fraksi yang terkait.

11.2.1. Kerikil

Kerikil terdiri atas partikel-partikel kasar sebagai hasil disintegrasi batuan. Di beberapa daerah, kerikil sering dipindahkan oleh air dari lokasi asalnya sehingga akibat gesekan antara butir, bentuknya menjadi bulat.

11.2.2. Pasir

Di beberapa wilayah di dunia, pasir biasanya terdiri atas partikel silika atau kwarsa, tetapi beberapa pasir pantai mengandung kalsium karbonat dalam bentuk partikel-partikel kerang, pasir glasial mengandung butir-butir halus mineral batuan. Butir-butir pasir dapat dilihat dengan mata telanjang dan apabila diraba terasa berisik.

Sumbangan pasir terhadap stabilitas tanah adalah sebagai akibat interaksi mekanis antara butir (gesekan internal). Antara butir-butir pasir dapat dikatakan tidak ada kohesi, karena kecilnya pengaruh film air antara partikel atau efek permukaan dan butir-butir tersebut hanya memberikan sumbangan yang kecil terhadap pengisapan (suction). Rendahnya penyerapan air oleh permukaan butir menyebabkan pasir tidak mengalami pemuaian dan penyusutan.

Tanah yang mengandung banyak pasir biasanya mempunyai struktur yang terbuka sehingga mudah mengalirkan air (permeabel). Pada tanah tersebut, konsolidasi adalah relatif kecil dan apabila terdapat pada pondasi jalan, pasir tidak rawan kerusakan akibat pembekuan.

11.2.3. Lanau

Secara fisik dan kimia, partikel lanau mirip partikel pasir, sedangkan perbedaan utamanya adalah ukurannya. Sebagaimana halnya dengan pasir, sumbangan utama kekuatan dari lanau adalah akibat gesekan internal, tetapi film air antara partikel menyumbangkan tingkat tertentu kohesi pada tanah.

Tanah yang didominasi oleh lanau sangat rawan terhadap pembekuan. Hal tersebut dipandang merupakan aspek penting bagi insinyur jalan raya. Karena permeabilitasnya yang lebih tinggi, maka lanau mempunyai konsolidasi yang lebih kecil daripada lempung. Demikian juga, lanau mempunyai pemuaian dan penyusutan yang lebih kecil daripada lempung.

11.2.4. Lempung

Butir pada fraksi lempung berbeda dari butir pada dua fraksi di atas, baik dalam hal komposisi kimianya maupun sifat-sifat fisiknya. Secara kimia, butir lempung terdiri atas almunium-silika terhidrasi yang terbentuk pada saat proses peluluhan partikel kasar mineral batuan primer. Diantara mineral yang terbentuk dalam partikel lempung adalah kaolinit, monmorilonit dan mika.

Secara fisik, perbedaan partikel lempung dengan partikel fraksi yang lebih kasar adalah bentuknya yang pipih dan lonjong atau lamelar, sehingga per satuan berat mempunyai permukaan yang lebih luas daripada partikel bulat atau mendekati kubus.

Bentuknya yang pipih merupakan faktor utama yang menyebabkan tanah menjadi plastis pada saat dicampur air. Air yang terdapat dalam tanah mengakibatkan butir-butir terorentasi secara sejajar dan kemudian mudah bergeser satu sama lain (lihat Gambar 12). Perubahan orentasi butir dipandang sebagai penyebab adanya perbedaan perilaku antara contoh asli dan contoh tidak asli lempung.

Gambar 12.Orentasi butir sehingga tanah menjadi plastis

(Baver dalam TRRL, 1952)

Film air di sekeliling butir-butir lempung sangat penting, karena fraksi lempung mempunyai permukaan spesifik yang besar sehingga kadar air lempung menjadi relatif besar. Partikel lempung dikatakan dapat terhidrasi, yaitu partikel dapat menyerap air di sekitarnya.

Karena intensitas gaya penyerapan makin menurun sejalan dengan makin jauhnya jarak dari permukaan partikel, maka kondisi kontak air dengan partikel juga berubah. Beberapa ahli berpendapat bahwa air yang paling dekat ke permukaan partikel menempel sangat kuat sehingga berbentuk bahan padat, sedangkan agak jauh dari permukaan partikel, air berbentuk bahan cair murni. Pada titik di antara ke dua posisi tersebut, air mempunyai wujud antara padat dan cair. Pengaruh air terserap tersebut sangat besar terhadap pengisapan, pemuaian dan penyusutan pada lempung.

Kecilnya rongga antara butir lempung mengakibatkan permeabilitas lempung sangat rendah sehingga lempung sulit mengalirkan air. Terhambatnya pengaliran air akan mengakibatkan konsolidasi pada lempung berlangsung lama.

Pada uraian di atas tentang air dalam tanah, telah disinggung ion yang terdapat dalam air, yaitu hidrogen, sodium dan kalsium. Ion-ion tersebut diserap oleh permukaan butir tanah, terutama pada fraksi lempung, karena lempung mempunyai permukaan spesifik yang besar. Disamping itu, ion-ion mempunyai sifat yang dapat bertukar, yaitu ion yang telah terserap permukaan dapat diganti oleh ion lain dari cairan di sekeliling butir. Oleh karena itu, ion dikatakan sebagai basa yang dapat ditukar (exchangeable bases) dan kapasitas tanah untuk mengikat ion-ion tersebut disebut kapasitas pertukaran yang biasa dinyatakan dengan miligram-ekivalen ion yang dapat diikat dalam 100 gram tanah. Kapasitas pertukaran tanah adalah relatif konstan dan merupakan fungsi jumlah dan jenis lempung yang terdapat dalam tanah, dimana nilainya mulai dari 100 mg-ekivalen untuk lempung kaolin sampai sekitar 100 mg-ekivalen untuk montmorilonit. Dengan demikian, tanah yang mempunyai kapasitas perttukaran 30 mg-ekivalen dapat mengandung sekitar 0,6 persen berat ion kalsium yang terserap.

Sifat fisik tanah dapat dipengaruhi oleh ion yang terserap. Winterkorn dan asistennya telah meneliti pengaruh keberadaan berbagai ion terhadap sifat-sifat mekanis dan fisik lempung serta pengaruhnya terhadap proses stabilisasi. Pengaruh ion terserap, sebagian merupakan fungsi valensi kimia dan sebagian lagi merupakan fungsi derajat hidrasi, karena ion-ion tersebut juga dikelilingi oleh amplop molekul air yang terserap. Apabila suatu ion terserap permukaan butir lempung, maka amplop air yang menyertainya mempunyai pengaruh terhadap film air di sekeliling butir sehingga mempengaruhi sifat-sifat fisik butir-butir yang terhidrasi.

Pada Tabel 11. ditunjukkan hasil penelitian Winterkorn dan Moorman (TRRL, 1952) tentang pengaruh perubahan ion yang terserap terhadap sifat-sifat tanah, dimana data diperoleh melalui penambahan contoh tanah dengan asam dan berbagai garam logam. Untuk lempung-hidrogen dan lempung-almunium, data yang diperoleh adalah sama, karena akibat pengaruh asam sebagaimana yang terdapat dalam lempung-hidrogen, mungkin terdapat juga ion almunium (yang timbul pada saat penghancuran almunium-silikat.

Baver dan Winterkorn juga telah menunjukkan bahwa penyerapan tanah terhadap air dan kapasitas pemuaiannya makin meningkat sejalan dengan meningkatnya kapasitas pertukaran basa.

Sifat fraksi lempung adalah sedemikian rupa sehingga kehadirannya, sekalipun dalam kadar yang relatif kecil, mempunyai pengaruh yang besar terhadap sifat-sifat tanah. Dengan demikian, tanah yang mengandung banyak partikel pasir (70 sampai 80%) dapat bersifat kohesif apabila tanah tersebut mengandung sekurang-kurangnya 10% lempung; sedangkan agar tanah dapat benar-benar bersifat lempung, tanah tersebut cukup mengandung 40 sampai 50% partikel berukuran lempung.

Tabel 11.Pengaruh ion-ion yang dapat ditukar (exchangeable ions) terhadap sifat tanahSifat Dan PengujianTanah NetralIon

HNaKMgCaAl

Plastisitas

Batas cair (%)

Indeks plastis (%)64

4156

3288

6353

2556

3162

3560

34

Penyusutan

Batas susut (%)18161219121216

Berat isi dan kadar air

Berat isi kering maks. (lb/ft3)

Kadar air optimum (%) 88

2987

3185

3190

2886

3185

3284

32

Sumber : Putnam, TRRL, 1952C.PENGUJIAN KONSOLIDASI

B.PENGUJIAN PENYUSUTAN

A.PENGUJIAN PEMADATAN

AIR

BAHAN PADAT

0

W

Gambar 11. >

Hubungan kepadatan dengan kadar air

V

WW

UDARA

Vv

Ws

VW

Vs

Va

BERAT

Gambar 5. >

Kohesi antara dua butir bulat (Sumber: TRRL, 1952)

Gambar 6. >

Kohesi sebagai akibat hidrasi partikel (Russel dalam TRRL, 1952)

Gambar 7. >

Hubungan pengisapan dan kadar air (kondisi pengeringan) (Sumber: Krebs, 1971)

Gambar 8. >

Perkiraan hubungan stabilitas relatif (CBR) dengan pengisapan (Sumber: Krebs, 1971)

Gambar 10. >

Konsistensi tanah yang dibentuk kembali (Sumber: Kerbs, 1971)

KATION POSITIF

(Ca++, Mg++)

MOLEKUL AIR POLAR

PARTIKEL

LEMPUNG

PARTIKEL

LEMPUNG

Lapis/Horizon A organik (Organic A horizon)

Lapis/Horizon A

Lapis/Horizon B

Pelapukan-dalam pada cekungan (deeper weathering in depressions)

Lapis/Horizon C bahan induk

(C horizon parent material)

FILM AIR

PARTIKEL

TERORENTASI

GARIS JENUH

( RONGGA = 0 )

1,95

1,90

1,85

1,70

1,65

1,60

KEPADATAN KERING (gram/cm3)

051015202530

KADAR AIR (%)

Gambar 4. >

Diagram komponen tanah

Gambar 3. >

Grafik segi tiga untuk menyatakan komposisi tanah (Sumber: TRRL, 1952)

VOLUME

Gambar 9. >

Hubungan volume dengan kadar air (Sumber: TRRL, 1952)

BATAS SUSUT

VOLUME UNTUK 100 gram TANAH (cm3)

70

65

60

55

50

45

40

0 510152025

KADAR AIR (%)

PAGE 3 Balai Bahan dan Perkerasan Jalan

_1185550732.unknown

_1194189386.unknown

_1198327668.unknown

_1185550881.unknown

_1185551410.unknown

_1185550586.unknown

_1185550618.unknown