Technical Note: Category-Soil Dynamics [1]

      Comments Off on Technical Note: Category-Soil Dynamics [1]

Prosedur Analisis Likuifaksi Menggunakan Vs

Sri Atmaja P. Rosyidi*, Surya Budi Lesmana*, Djoko Wintolo#, Anita Widianti*

*Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, #Universitas Gadjah Mada

1. Pendahuluan

Likuifaksi merupakan peristiwa pencairan tanah granular yang jenuh akibat beban gempa atau beban dinamik lainnya disebabkan oleh peningkatan tekanan efektif air pori tanah.  Likuifaksi biasanya terjadi pada tanah bergranular misalnya tanah pasir yang tidak padat dan peristiwa ini bisa mengakibatkan penurunan tanah yang signifikan.  Gambar 1 menunjukkan peristiwa likuifaksi yang terjadi akibat gempa 27 Mei 2006 di Yogyakarta yang menyebabkan penurunan kedudukan lantai hingga 30 – 40 cm.  Peristiwa likuifaksi lainnya yang menghasilkan penurunan tanah yang signifikan misalnya pernah terjadi akibat gempa Chi-Chi 1999 di Pelabuhan Taichung, Taiwan (Gambar 2).  Peristiwa likuifaksi akibat gempa bumi dapat menyebabkan kerusakan berat dan kegagalan pada infrastruktur.  Oleh karena itu, kajian untuk memprediksi potensi likuifaksi pada tanah menjadi sangat penting dan signifikan untuk dilakukan mengingat Indonesia terletak pada daerah rawan gempa bumi.

Gambar 1. Likuifaksi di kampus UMY akibat gempa 27 Mei 2006

(Sumber : Moh, Z-C et al. 2002)

2. Likuifaksi Tanah

a. Definisi Likuifaksi

Salah satu kegagalan tanah yang diakibatkan oleh getaran gempa bumi adalah kehilangan kekuatan pada tanah berpasir disebabkan oleh peningkatan tekanan pori atau dikenali sebagai likuifaksi (liquefaction) (Prakash, 1981).  Secara fisisnya, likuifaksi  diidentifikasi sebagai suatu fenomena dimana tanah berpasir baik dalam kondisi pasir tak padat (loose) maupun padat (dense) mengalami perubahan fase (bentuk) menjadi berperilaku seperti aliran fluida disebabkan oleh kehilangan seluruh tegangan geser yang dimilikinya.  Likuifaksi sering terjadi pada tanah berpasir dalam keadaan yang jenuh dengan ruang pori antar partikel tanah telah diisi sepenuhnya oleh air.  Air pori ini memberikan tekanan kepada partikel tanah yang mempengaruhi tingkat kekuatan geser antar partikel tanah itu sendiri (Chiou and Chen 2007).  Sebelum terjadinya peristiwa gempa bumi atau getaran terjadi, tekanan air adalah relatif rendah.  Selanjutnya, rambatan beban dinamik dari kejadian gempa bumi menyebabkan peningkatan tekanan air hingga mencapai satu kondisi dimana partikel tanah dapat bergerak antara satu dengan lainnya (Gambar 3).  Ketika peristiwa ini terjadi, kekuatan geser tanah menjadi menurun secara signifikan dan kemampuan tanah untuk mendukung fondasi suatu bangunan atau struktur menjadi berkurang.  Likuifaksi juga dapat menyebabkan terjadinya permasalah tanah lainnya seperti penurunan tanah setempat dan kejadian kegagalan lereng sebagaimana ditunjukkan dalam skematik di Gambar 4.

Gambar 3.  Skema perubahan atau pergerakan partikel tanah oleh adanya peningkatan tekanan air pori dalam tanah akibat gempa bumi

Gambar 4. Skematik beberapa kegagalan tanah akibat terjadinya likuifaksi

b. Teori dan Persamaan Dasar

Kekuatan geser (tegangan) tanah berpasir hanya didukung oleh gesekan internal saja.  Pada kondisi yang jenuh, suatu persamaan tegangan geser tanah berpasir dapat diturunkan sebagai:

dengan, s = tegangan geser, σn = tekanan normal pada kedalaman (Z) tertentu, u = tekanan air pori pada kedalaman (Z) tertentu, dan ϕ = sudut gesek internal.

Jika terdapat peningkatan tekanan air akibat kejadian gempa bumi, tegangan geser dari persamaan (1) akan menjadi:

dengan, γb = berat unit tanah terendam (jenuh), γw = berat unit air pada ketinggian tertentu .

Dari persamaan (2.2) dan (2.3) dapat dilihat bahwa penambahan tekanan pori positif (tekanan air) dapat menyebabkan tegangan geser tanah menjadi berkurang. Sebagai tambahan, kehilangan tegangan terjadi karena terdapat suatu perpindahan tegangan intergranular dari partikel kepada air pori.  Selanjutnya, jika perpindahan ini seluruhnya terjadi sempurna (lengkap) maka tegangan tanah akan sepenuhnya hilang. Namun, apabila hanya sebagian tegangan saja yang dapat dipindahkan dari partikel ke air pori maka kehilangan tegangan tanah hanya terjadi sebagiannya saja (Seed, 1976).

c. Kriteria Penilaian dan Faktor yang Berpengaruh dalam Likuifaksi

Kriteri penilaian likuifaksi diusulkan oleh beberapa peneliti sebelumnya berdasarkan berbagai parameter pengujian yang berbeda, diantaranya:

a.       Casagrande (1936, 1976) mengusulkan parameter angka pori kritis (critical void ratio) digunakan sebagai kriteria yang mungkin dilakukan untuk memastikan tanah atau pasir akan berperilaku menjadi likuid atau sebaliknya.  Jika tanah memiliki angka pori kurang dari angka pori kritis, maka likuifaksi tidak berjadi atau berlaku.  Angka pori kritis ditentukan dari pengujian triaksial terdrainasi (drained triaxial test).  Kelemahan kriteria ini adalah masih terdapatnya penyimpangan yang signifikan apabila kriteria ini diterapkan dalam kasus lapangan.  Hal ini disebabkan oleh kriteria yang dihasilkan Casagrande (1976) hanya ditentukan dari data pengujian laboratorium saja.

b.      Maslov (1957) mengajukan konsep akselerasi kritis (critical acceleration) untuk menentukan potensi likuifaksi pada pasir.  Likuifaksi dapat terjadi apabila akselerasi gerak yang terjadi pada tanah lebih besar dari angka akselerasi kritis.  Angka akselerasi kritis itu sendiri dipengaruhi oleh kepadatan pasir, amplitudo dan frekuensi osilasi dan tekanan normal yang terjadi.  Meskipun demikian, angka akselerasi bukan merupakan ciri unik yang bisa diterapkan untuk berbagai jenis tanah.

c.       Kriteria intensitas gangguan dinamik, kondisi tegangan tanah, tambahan berat tanah dan gradien hidraulik air yang melalui tanah adalah kriteria penilaian likuifaksi yang diusulkan oleh Florin dan Ivanov (1961).  Namun, kriteria di atas tidak menyertakan indeks likuifaksi yang jelas.

d.      Kriteria likuifaksi yang lebih lengkap dengan melibatkan banyak faktor (dijelaskan dalam paragraf berikut) dikemukakan oleh Seed dan Idriss (1967, 1971), Prakash dan Gupta (1970), Finn et al. (1976).  Kriteria tersebut diusulkan dari berbagai data pengujian yang dilakukan di laboratorium maupun di lapangan.

e.       Kriteria nilai N-SPT (standard penetration test) oleh Christian dan Swiger (1975) dan korelasi empiriknya banyak digunakan untuk menganalisis likuifaksi secara lebih praktis.  Walaupun demikian, pengujian N-SPT memerlukan kerja lapangan yang berat sehingga metode dan kriteria ini sukar untuk dilakukan pada daerah dengan aksebilitas terbatas.

f.       Kriteria penilaian likuifaksi menggunakan metode SCPT (seismic cone penetration test) dengan menghasilkan parameter kecepatan gelombang permukaan (VS) diusulkan oleh Stokoe et al. (1988), Tokimatsu et al. (1991), Robertson et al. (1992) dan Andrus (1994).  Kriteria VS yang dihasilkan telah dijustifikasi dengan angka pori, kondisi atau sejarah tegangan, umur geologi dan tekanan sisi efektif.

Prakash (1981) secara umum menjelaskan faktor-faktor yang berpengaruh dalam karakteristik likuifaksi pasir, sebagai berikut:

  • Distribusi ukuran butiran pasir
  • Kepadatan deposit (kepadatan relatif awal, DR)
  • Karakteristik getaran
  • Lokasi drainasi dan dimensi deposit
  • Besaran dan sifat beban yang terjadi
  • Metode formasi tanah (struktur tanah)
  • Periodisasi di bawah beban yang ditahan
  • Riwayat regangan yang ada
  • Udara yang terperangkap

Dengan melakukan pemilihan faktor dominan yang berpengaruh dalam karakteristik likuifaksi material pasir yaitu jenis tanah, kepadatan relatif atau angka pori, tekanan sisi awal dan intensitas serta durasi getaran yang terjadi, Seed dan Idriss (1967, 1971) mengusulkan suatu metode untuk menilai potensi likuifaksi.  Metode ini yang hingga saat ini masih menjadi rujukan penilaian evaluasi potensi likuifaksi material pasir di Indonesia.  Meskipun demikian, metode evaluasi ini masih sepenuhnya menggunakan parameter laboratorium untuk menentukan ekuivalen jumlah siklik tegangan seragam.  Pengujian laboratorium memiliki kelemahan diantaranya pertama, kesulitan dalam menentukan tegangan (in-situ stress) dan kondisi drainasi dalam tanah sebenarnya.  Kedua, memerlukan sampel tanah pada setiap kedalaman yang dikehendaki, sehingga metode ini menjadi tidak ekonomis apabila diterapkan untuk investigasi pada wilayah yang luas.  Ketiga, memerlukan peralatan laboratorium yang memadai sehingga perilaku dinamik material pasir dapat diamati dengan baik melalui pembebanan siklus.

3. Prosedur Analisis Potensi Likuifaksi berdasarkan Kecepatan Gelombang Geser, VS

Evaluasi tahanan likuifaksi melibatkan dua tahap perhitungan utama, yaitu rasio tegangan siklik/cyclic stress ratio (CSR) dan rasio tahanan siklik/cyclic resistance ratio (CRR). Perhitungan CSR yang sederhana telah diusulkan oleh Seed dan Idriss (1971) berdasarkan peak ground acceleration/akselerasi tanah puncak. Untuk perhitungan CRRdapat ditentukan menggunakan kecepatan gelombang geser (shear wave velocity, Vs) menggunakan metode Andrus dan Stokoe (1999). Prosedur secara umum diberikan dalam Gambar 5.

Gambar 5. Bagan alir perhitungan potensi likuifaksi menggunakan Vs

(Sumber : Rosyidi et al. 2010)

About Sri Atmaja P. Rosyidi

Sri Atmaja Putra Rosyidi’s Summary 1. Professional engineer; consulting works (2000 - present): design. evaluation and supervision of highway and road pavement. I have involved in more than 10 highway-projects of design and evaluation. 2. NDT testing engineer for soil structures and pavement; expert (2004 - present). Some projects have been evaluated for infrastructure health monitoring and structural assessment. 3. Board; operational manager (2006 - 2012): CASINDO and CAREPI project, Netherlands-Indonesia Energy Working Group. Specialization: Energy Infrastructure Design and Management. 4. Geology, geophysics and geo-hazards expert (2006 - present); specialization: soil dynamic, earth sciences and geotech.earthquake engineering. Some research project have been done. More than 20 international journal and conference papers have been published.