teknik aplikasi kolom semen pada tanah berpasir

APLIKASI TEKNIK KOLOM SEMEN

PADA TANAH BERPASIR

Edited by....

Igun’z0 2 7 4 - 9 1 9 4 0 4 5

[email protected]

Prosiding

Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II 2008

Universitas Lampung, 17-18 November 2008

ISBN : 978-979-1165-74-7 XI - 176

APLIKASI TEKNIK KOLOM-SEMEN (CEMENT-COLUMN) PADA TANAH

BERPASIR

1Agus Setyo Muntohar,

1Anita Widianti,

1Willis Diana,

1Edi Hartono,

dan2Ekrar Oktoviar,

1Program Studi Teknik Sipil, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Kampus UMY Jl.Lingkar Selatan, Taman Tirto, Yogyakarta 55183 email: [email protected]

2Mahasiswa, Program Studi Teknik Sipil, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

ABSTRAK

Teknik grouting dan deep mixing adalah teknik yang lebih efektif mengurangi likuifaksi.

Pada naskah ini akan disajikan hasil kajian laboratorium tentang pengaruh penggunaan teknik

kolom-semen terhadap kekuatan tanah di sekitar kolom-semen. Kolom-semen dibuat dalam

skala model laboratorium dengan diameter 0,051 m (2 inch) dan panjang 0,22 m (8 inch) pada

media tanah pasir berukuran 1,2 m x 1,2 m x 1,0 m untuk panjang, lebar dan tinggi. Kekuatan

tanah di sekitar kolom diukur pada arah radial dan vertikal dengan alat uji sondir konis ganda

(biconus CPT) yang diuji pada umur kolom-semen 1, 3 dan 7 hari setelah pemasangan. Hasil

pengujian menunjukkan bahwa kekuatan tanah baik perlawanan ujung (qc) dan perlawana gesek

(qf) di sekitar kolom-semen meningkat setelah pemasangan kolom-semen. Kekuatan tanah

berkurang jika jaraknya semakin jauh dari kolom-semen. Kekuatan tanah juga meningkat

dengan bertambahnya umur kolom-semen. Secara umum dapat dikatakan bahwa pemasangan

kolom-semen telah mampu meningkatkan kekuatan tanah di sekitarnya baik pada arah radial

maupun vertikal. Peningkatan kekuatan ini merupakan indikasi berkurangnya resiko likuifaksi

pada tanah berpasir.

Kata kunci : likuifaksi, kolom-semen, tanah pasir, sondir

1. PENDAHULUAN

Likuifaksi sering terjadi pada tanah berpasir lepas dan jenuh air bila terjadi gempa

bumi. Akibat kehilangan kuat geser akibat gempa dapat menyebabkan terjadinya tanah longsor,

kehilangan kuat dukung pada fondasi, dan penurunan fondasi yang berlebihan. Sebagai

kelanjutannya akan terjadi kerusakan pada struktur bangunan diatasnya. Gempa bumi yang

melanda Yogyakarta dan Jawa Tengah pada 27 Mei 2006 telah menyebabkan kerusakan

infrastruktur dan kerugian baik materi maupun jiwa manusia. Berdasarkan kajian awal

(reconnaissance) kelompok geoteknik Taiwan Tech diketahui bahwa lebih dari 27 lokasi telah

terjadi peristiwa sand-boiling selama gempa tersebut (Lee, Hwang dan Muntohar, 2006). Sand-

boiling merupakan indikasi terjadinya peristiwa likuifaksi (liqeufaction) akibat gempa bumi

yang melanda Yogyakarta dan Jawa Tengah tersebut. Salah satu lokasi terjadinya sand-boiling

ini adalah di Kampus Terpadu Universitas Muhammadiyah Yogyakarta (UMY) yang diikuti

dengan retaknya permukaan tanah. Lee, Hwang dan Muntohar (2006) menyebutkan bahwa pada

Prosiding



ISBN : 978-979-1165-74-7 XI - 177

percepatan maksimum tanah (peak ground acceleration, PGA) sebesar 0,1g hingga 0,14g telah

mampu menyebabkan terjadinya likuifaksi di area Kampus UMY.

Pada prinsipnya, Tanaka dkk (1991) menjelaskan bahwa bahaya likuifaksi ini dapat

ditanggulangi dengan dua teknik yaitu (1) memperbaiki sifat-sifat tanah, dan (2) memperbaiki

kondisi yang berkaitan dengan tegangan, deformasi, dan tekanan air pori. Namun secara umum

penanganan likuifaksi dapat dilakukan dengan cara memadatkan tanah di lapangan yang

memakai teknik antara lain teknik getaran (vibro-compaction), perbaikan tanah dengan cara

deep soil mixing, atau pemadatan dinamis (dynamic compaction). Pada kebanyakan penelitian,

teknik perbaikan tanah (ground improvement) yang sering digunakan adalah teknik kolom-batu

(stone-column) atau tiang-batu (stone-piers). Teknik ini mampu mengurangi resiko kerusakan

strukur akibat peristiwa likuifaksi (Mitchell, et al., 1995; Martin, 2000). Namun demikian teknik

perbaikan tanah lainnya seperti cement/lime-column dapat digunakan sebagai alternatif untuk

mengurangi resiko likuifaksi (Seed dkk, 2001; Seed dkk, 2003). Selain itu, teknik kolom ini

juga dapat digunakan sebagai fondasi untuk bangunan gedung (Kempfert, 2003). Teknik

grouting dan deep mixing adalah teknik yang lebih efektif mengurangi likuifaksi. Hasil dari

grouting dan deep mixing ini adalah suatu kolom tanah yang mengeras akibat bercampur dengan

bahan kimia seperti semen, kapur, atau cairan kimia lainnya. Pada naskah ini akan disajikan

hasil kajian laboratorium tentang pengaruh penggunaan teknik kolom-semen terhadap kekuatan

tanah di sekitar kolom-semen.

2. METODE PENELITIAN

2.1 Kerangka Penelitian

Berdasarkan hasil kajian pustaka dapat dibuat suatu kerangka dasar penelitian tentang

likuifaksi di tanah pasir sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1. Pada dasarnya terdapat dua

alur utama penelitian tentang likuifaksi yaitu estimasi potensi likuifaksi dan mitigasi atau teknik

penanggulangan likuifaksi. Teknik mitigasi likuifaksi yang berkaitan dengan bidang geoteknik

adalah perbaikan tanah, sedangkan mitigasi dengan cara membanguan kontruksir tahan gempa

merupakan bagian dari kajian bidang struktur atau konstruksi bangunan. Perbaikan tanah pasif

(passive treatment) dengan kolom-semen (cement-column, LC) atau kolom kapur/semen

(lime/cement-column, LCC), atau silica grout memerlukan suatu media agar bahan tersebut

dapat tersebarkan secara gravitasi dan reaksi kimia dengan tanah di sekitarnya. Penyebaran dan

reaksi kimia tersebut akan terjadi jika terdapat air tanah yang tinggi. Hasil dari proses reaksi

kimia tersebut adalah mengikat partikel-partikel tanah dan pengerasan tanah permanen yang

mana akan meningkatkan kekuatan tanah terhadap gempa. Oleh karena itu, jarak penyebaran

Prosiding



ISBN : 978-979-1165-74-7 XI - 178

kekuatan tanah di sekitar kolom-semen baik arah radial maupun vertikal dan umur pemasangan

kolom-semen perlu dijadikan sebagai variabel yang akan dikaji.

2.2 Tanah Yang Digunakan

Tanah pasir yang digunakan memiliki distribusi ukuran partikel tanah seperti disajikan

oleh kurva pada Gambar 2. Berat jenis partikel tanah dari contoh tanah adalah sebesar 2,832.

Berdasarkan kurva distribusi partikel tersebut, sebanyak 96% merupakan fraksi pasir dengan

karakteristik sebagai berikut : D10 = 0,195 mm; D15 = 0,230 mm, D30 = 0,295 mm, D60 = 0,387

mm, koefisien keseragaman (coefficient of uniformity), Cu = 1,98, koefisien kelengkungan

(coefficient of curvature), Cc = 1,15. Berdasarkan parameter tersebut, tanah yang digunakan

untuk pengujian laboratorium diklasifikasikan dalam tanah pasir bergradasi buruk (poorly-

graded sand) dengan symbol SP menurut USCS (unified soil classification system).

Gambar 1 Kerangka dasar penelitian tentang likuifaksi

Prosiding



ISBN : 978-979-1165-74-7 XI - 179

Gambar 2 Distribusi ukuran partikel tanah pasir yang digunakan

2.3 Rancangan Model Laboratorium

Media tanah berpasir dimodelkan dengan Model 3-D di laboratorium berukuran 120 x 120

x 100 cm (Gambar 3). Pasir dimasukkan ke kontainer kotak dalam tiga lapisan hingga mencapai

ketebalan 0,90 m, masing –masing lapisan memiliki ketebalan 0,30 m. Setiap lapisan pasir

tersebut diuji kerapatannya dengan metode kerucut pasir (sand-cone method). Kerapatan tanah

pasir ini lebih sering dinyatakan dalam nilai porositas. Hasil uji sandcone menghasilkan bahwa

porositas masing-masing lapisan adalah 0,67 pada lapisan bawah (-0,60 m), 0,52 pada lapisan

tengah (-0,30 m), dan 0,60 pada lapisan atas (muka tanah). Variasi porositas tanah pasir seperti

disajikan pada Gambar 4(c). Pasir dalam kontainer dijenuhkan dengan cara merendamnya

dengan air selama 2-3 hari. Muka air tanah selanjutnya diatur pada kedalaman 0,30 m dari muka

tanah.Kolom-semen dibuat dengan ukuran diameter kolom-semen adalah D = 0,051 m (2 inch)

dengan panjang L = 0,22 m (8 inch). Kolom semen dibuat dengan cara memasukkan selubung

pipa dan mengeluarkan tanah dalam pipa dengan bor tangan, kemudian semen dimasukkan

sesuai dengan volume tanah yang dikeluarkan dan diberi tekanan agar padat.

Prosiding



ISBN : 978-979-1165-74-7 XI - 180

Gambar 3 Model laboratorium 3D untuk pengujian kolom-semen (a) kontainer pasir, (b)

penampang kolom-semen, (c) lokasi titik uji sondir

Pengujian kekuatan tanah dilakukan sebelum dan sesudah pemasangan kolom-semen

dengan alat sondir (cone penetration test, CPT) konis ganda. Kekuatan tanah di sekitar kolom

diukur pada arah radial dan vertikal. Pengujian pada arah radial dilakukan pada jarak 0,051 m

(1D), 0,102 m (2D), 0,153 m (3D), dan 0,204 m (4D) dari kolom-semen (Gambar 3c). Untuk

mengetahui pengaruh umur kolom-semen terhadap Kekuatan tanah, maka uji sondir dilakukan

pada umur kolom-semen 1, 3 dan 7 hari setelah pemasangan

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil uji sondir pada tanah pasir sebelum pemasangan kolom-semen disajikan pada

Gambar 4. Pada Gambar 4 ini diketahui nilai perlawanan ujung (cone resistance, qc), tahanan

gesek (shaft resistance, qc), nilai tahanan gesek total (total friction, ft), dan nilai banding antara

qf dan qc (friction ratio) untuk setiap kedalaman tanah. Secara umum, dari dua titik yang diuji,

yaitu T-1 dan T-2 (Gambar 3c), nilai-nilai tahanan ujung konis dan tahanan gesek total

Prosiding



ISBN : 978-979-1165-74-7 XI - 181

meningkat dengan kedalaman. Kuat dukung tanah untuk tanah pasir secara umum diberikan dari

nilai tahanan ujung, qc dan nilai tahanan gesek total ft (Coduto, 2001). Nilai qc sebelum

pemasangan kolom-semen berkisar antara 2 kg/cm2 – 5 kg/cm2 dengan nilai banding gesek 10 –

35. Hal ini berarti tahanan gesek lokal hanya memberikan 10% hingga 35% dari tahanan ujung.

Gambar 4 Hubungan nilai kekuatan tanah terhadap kedalaman sebelum pemasangan kolom-

semen

3.1 Penyebaran Kekuatan Tanah Sekitar Kolom-Semen

Gambar 5 dan 6 menunjukkan penyebaran nilai tahanan ujung konis qc dan tahanan

gesek total terhadap jarak pada arah radial dari kolom-semen. Tahanan ujung konis qc,

sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5, secara umum meningkat 20% hingga 97% pada jarak

1 kali diameter (1D). Peningkatan nilai qc ini berangsur-angsur berkurang dengan semakin

bertambahnya jarak dari kolom semen. Sebagai contohnya, pada jarak 4 kali diameter (4D)

hanya terjadi peningkatan antara 16% hingga 80%. Muntohar dan Liao (2006) membagi zona

penyebaran kekuatan di sekitar kolom-kapur pada tanah lempung lunak menjadi dua yaitu zona

penyebaran utama (main-influence zone) dan zona penyebaran efektif (effective-influence zone).

Zona penyebaran utama ini hingga mencapai jarak 2 kali diameter (2D) atau terdapat

peningkatan kekuatan tanah sebesar minimal 50% yang mana diasumsikan bahwa faktor

keamanan (safety factor) untuk suatu struktur adalah FS = 1,5. Sedangkan zona penyebaran

efektif mencapai hingga jarak 3 kali diameter (3D) atau terjadi peningkatan kekuatan tanah

minimal 30% yang mana diasumsikan nilai faktor keamanan FS = 1,3. Dengan demikian, jika

mengikuti kriteria yang ditulis oleh Muntohar dan Liao (2006), maka secara umum zona

penyebaran utama kolom-semen mencapai 2D yang mana juga dipengaruhi oleh umur kolom-

Prosiding



ISBN : 978-979-1165-74-7 XI - 182

semen tersebut. Hasil ini dikuatkan dengan hasil nilai tahanan gesek total pada Gambar 6 yang

mana nilai tahanan gesek total bertambah sangat besar hingga jarak 2D.

Gambar 5 Hubungan antara nilai qc dan jarak dari kolom

Peningkatan kekuatan tanah di sekitar kolom-semen ini menunjukkan adanya proses

migrasi partikel semen. Selama proses migrasi ini terjadi reaksi kimiawi antara semen dengan

tanah pasir tersebut. Sebagai hasilnya adalah tanah pasir di sekitar kolom-semen menjadi lebih

keras karena diikat oleh gel hasil reaksi antara air – semen – pasir. Hasil ini seperti ditunjukkan

pada Gambar 7 yang mana merupakan gambar kolom-semen setelah selesai pengujian pada

umur lebih dari 7 hari. Berdasarkan pengamatan (Gambar 7), ukuran kolom semen atau

diameter kolom-semen berkurang. Kondisi ini membuktikan bahwa proses migrasi partikel-

partikel semen telah terjadi selama pengujian ini.

Prosiding



ISBN : 978-979-1165-74-7 XI - 183

Gambar 6 Hubungan antara nilai ft dan jarak dari kolom

Gambar 7 Foto kolom-semen setelah selesai pengujian pada umur lebih dari 7 hari

Prosiding



ISBN : 978-979-1165-74-7 XI - 184

3.2 Pengaruh Umur Kolom-Semen

Pada Gambar 5 dan 6 terlihat bahwa umur kolom-semen setelah pemasangannya

mempengaruhi nilai-nilai tahanan ujung konis dan tahanan gesek. Secara teoritis, reaksi antara

partikel semen dan air serta partikel pasir adalah reaksi pozzolan yang mana akan menghasilkan

bahan yang dapat mengeras. Derajat pengerasan ini terus berlangsung seiring dengan

bertambahnya waktu. Sebagai hasilnya adalah peningkatan kekuatan tanah dan partikel dari

pengisi kolom dapat menyebar lebih jauh lagi ke arah radial dan vertikal (Muntohar dan Liao,

2006; Rao dan Rajeskaran,1996).

Nilai qc pada zona penyebaran utama (yaitu jarak 2D) dan pada kedalaman 0,2 m

hingga 0,6 m meningkat antara 10% hingga 15% dengan bertambahnya umur kolom dari 3 hari

ke 7 hari. Sedangkan pada kedalaman 0,8 m, nilai qc dapat meningkat hingga 50% pada umur

kolom-semen mencapai 7 hari setelah pemasangannya. Karakteristik perubahan nilai tahanan

gesek total terhadap umur kolom-semen pada Gambar 6 dapat menjelaskan bahwa pada umur

kolom-semen 7 hari hanya mampu meningkatkan tahanan gesek hingga jarak 1D dari kolom.

Pada jarak yang lebih jauh, secara umum dapat dikatakan bahwa bertambahnya umur kolom-

semen hingga mencapai 7 hari cenderung lebih kecil daripada umur 3 hari, namun masih lebih

besar daripada sebelum pemasangan kolom-semen. Namun, pada umur 3 hari, tahanan gesek

total mampu meningkat hingga mencapai jarak 2D. Fenomena ini dapat menjelaskan bahwa

proses pengerasan telah menyebabkan rendahnya nilai porositas tanah yang mengakibatkan

partikel semen tidak mampu bermigrasi lebih jauh lagi pada umur lebih dari 3 hari. Secara

umum, dapat dikatakan bahwa umur efektif kolom-semen yang mampu meningkatkan kekuatan

tanah pasir adalah 3 hari.

4. KESIMPULAN

Hasil pengujian menunjukkan bahwa kekuatan tanah baik tahanan ujung (qc) dan

tahanan gesek (qf) di sekitar kolom-semen meningkat setelah pemasangan kolom-semen.

Kekuatan tanah berkurang jika jaraknya semakin jauh dari kolom-semen. Kekuatan tanah juga

meningkat hanya 10%-15% dengan bertambahnya umur kolom-semen. Secara umum dapat

dikatakan bahwa pemasangan kolom-semen telah mampu meningkatkan kekuatan tanah di

sekitarnya baik pada arah radial maupun vertikal. Peningkatan kekuatan ini merupakan indikasi

berkurangnya resiko likuifaksi pada tanah berpasir. Umur efektif kolom-semen yang

menghasilkan tahanan ujung konis dan tahan gesek adalah 3 hari setelah pemasangannya.

Prosiding



ISBN : 978-979-1165-74-7 XI - 185

5. DAFTAR PUSTAKA

Coduto, D.P., 2001. Foundation Design: Principles and Design, 2nd Edition, Prentice Hall, Ch.

14.

Kempfert, H.G., 2003. Ground improvement methods with special emphasis on column-type

techniques, In Vermeer, Schwiger, and Cudny (Editors.), Proceeding of International

Workshop on Geotechnics of Soft Soil: Theory and Practice, Netherlands, Verlag

Glückauf, 101-112.

Lee, S.H.H., Ching, H.H., dan Muntohar, A.S., 2006. Study on Liquefaction Problem of

Yogyakarta Area at 052706 Earthquake, Proceeding International Seminar and

Symposium on Earthquake Engineering and Infrastructure & Building Retrofitting (EE &

IBR), 28 Agustus 2006, Yogyakarta, 6-10.

Martin, J. R. (2000). “CEE 5584: Geotechnical Aspects of Earthquake Engineering”, Course

Notes, Fall 2000, Virginia Tech, Blacksburg, Virginia.

Mitchell, J. K., Baxter, C. D. P., and Munson, T. C. (1995). “Performance of Improved Ground

during Earthquakes”, In Hryciw, R. D.(Editor): Soil Improvement for Earthquake Hazard

Mitigation, Geotechnical Special Publication No. 49, ASCE, 1-36.

Muntohar, A.S., and Liao, H.J., 2006, Strength distribution of the soil surrounding lime-column,

In Chan, D., and Law, K.T. (Eds.) : Proceeding 4th International Conference on Soft Soil

Engineering, 2-6 October 2006, Vancouver, Canada, 315-319.

Porbaha, A., Zen, K., and Kobayashi, M., 1999. Deep mixing technology for liquefaction

mitigation, Journal of Instrastructure Systems, Vol. 5 No. 1, 21-34.

Rao, S.N, and Rajasekaran, G., 1996, Reaction products formed in lime-stabilized marine clays,

Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 122, No. 5, 329-336

Seed, R.B., Cetin, K.O., Moss, R.E.S., Kammerer, A.M., Wu, J., Pestana, J.M., and Riemer,

M.F., 2001, Recent advances in soil liquefaction engineering and seismic site response

evaluation, Proceeding 47th International Conference on Recent Advances in Geotechnical

Earthquake Engineering and Soil Dynamic, 26-31 March 2001, San Diego, California,

USA, 1 – 45.

Seed, R.B., Cetin, K.O., Moss, R.E.S., Kammerer, A.M., Wu, J., Pestana, J.M., Riemer, M.F.,

Sancio, R.B., Bray, J.D., Kayen, R.E., and Faris, A., 2003, Recent advances in soil

liquefaction engineering: A unified and consistent framework, Keynote Presentation of the

26th Annual ASCE Los Angeles Geotechnical Spring Seminar, 30 April 2003, Long

Beach, California, USA, 1 – 71.

Tanaka, Y., Nakajima, Y., and Tsuboi, H. (1991). Liquefaction control works. Symposium on

Control of Soil Liquefaction, Japanese Society of Soil Mechanic and Foundation

Engineering., Tokyo, 33–38 (in Japanese).

teknik aplikasi kolom semen pada tanah berpasir

Documents