bab iii air tanah permeabilitas dan rembesan bahan kuliah mekanika tanah 1

Prodi Teknik SipilSekolah Tinggi Teknologi Unggulan SwarnadwipaKabupaten Kuantan Singingi - Riau

BAB III

AIR TANAH, PERMEABILITAS, DAN

REMBESAN

3.1. AIR TANAH

Air tanah adalah sebagai air yang terdapat dibawah permukaan bumi.

Sumber utamanya air hujan yang meresap kebawah melewati ruangan pori

diantara butiran tanah. Air sangat berpengaruh pada sifat-sifat teknis tanah,

khususnya tanah berbutir halus. Demikian juga air merupakan faktor yang

sangat penting dalam masalah-masalah seperti :penurunan,stabilitas

pondasi,stabilitas lereng, dll.

Pada lapisan tanah terdapat tiga zone penting yaitu : zone jenuh air,

zone kapiler, dan zone jenuh sebagian. Pada zone jenuh atau zone dibawah

muka air tanah, air mengisi seluruh rongga-rongga. Pada zone ini tanah

dianggap dalam keadaan jenuh sempurna. Batas atas dari zone jenuh adalh

permukan air tanah atau freatis. Zone kapiler terletak diatas zone jenuh.

Ketebalan zone ini tergantung dari macam tanah, akibatnya air mengalami

isapan atau tekanan negative. Zone tak jenuh yang berkedudukan paling

atas, adalh zone dekat permukaan tanah dimana air dipengaruhi oleh

penguapan sinar matahari dan akar-akar tumbuh-tumbuhan.

3.2. PERMEABILITAS

Didefinisikan sebagai sifat bahan berpori yang memungkinkan aliran

rembesan dari cairan yang berupa air atau minyak mengalir lewat rongga

pori. Untuk tanah, Permeabilitas dilukiskan sebagai sifat tanah yang

mengalirkan air melalui rongga pori tanah. Didalam tanah,sifat aliran

mungkin laminar atau turbulen. Tahanan terhadap aliran bergantung pada

jenis tanah, ukuran butiran, bentuk butiran, rapat massa, serta bentuk

geometri rongga pori. Temperatur juga sangat mempengaruhi tahanan aliran

(kekentalan dan tegangan permukaan.

1


Aliran Air Dalam Tanah

Tinggi energi total (total Head) adalah tinggi energi elevasi atau

Elevation Head(z) ditambah tinggi energi tekanan atau pressure Head (h)

yaitu Ketinggian kolom air h atau hB Didalam pipa diukur dalam millimeter

atau meter diatas titiknya.

Tekanan hidrostatis bergantung pada kedalaman suatu titik

dibawah muka air tanah. Untuk mengetahui besar tekanan air pori, Teorema

Bernaulli dapat diterapkan. Menurut Bernaulli, tinggi energi total (total

Head) pada suatu titik dapat dinyatakan oleh persamaan :

h =

Dengan :

h = tinggi energi total (total head)(m)

p/ w = tinggi energi tekanan (pressure head) (m)

p = tekanan air (t/m2,kN/m2)

v2/2g = tinggi energi kecepatan (velocity head) (m)

v = kecepatan air (m/det)

w = berat volume air (t/m3,kN/m3)

g = percepatan gravitasi (m/dt2)

z = tinggi energi elavasi (m)

Karena kecepatan renbesan didalam tanah sangat kecil,maka tinggi

energi kecepatan dalam suku persamaan Bernoulli dapat diabaikan.Sehingga

persamaan tinggi energi total menjadi :

h =

Untuk menghitung debit rembesan lewat tanah pada kondisi tertentu,

di tinjau kondisi tanah.

2


Hukum Darcy

Darcy (1956), mengusulkan hubungan antara kecepatan dan gradient

hidrolik sebagai berikut :

v = ki

Dengan :

v = Kecepatan air (cm/det)

i = Gradien hidrolik

k = Koefisien permeabilitas (cm/det)

Debit rembesan (q)dinyatakan dalam persamaan :

q = kiA

Koefisien permeabilitas (k) mempunyai satuan yang sama dengan kecepatan

cm/det atau mm/det. Yaitu menunjukkan ukuran tahanan tanah terhadap air,

bila pengaruh sifat-sifatya dimasukkan, Maka :

k (cm/det) =

Dengan :

K = koefisien absolute (cm ), tergantung dari sifat butiran tanah

= Rapat massa air (g/cm )

= koefisien kekentalan air (g/cm.det)

g = percepatan gravitasi ( cm/det )

Uji Permeabilitas Di Laboratorium

Ada empat macam pengujian untuk menentukan koefisien

permeabilitas dilaboratorium, yaitu :

3


a). Uji tinggi energi tetap (Constant – Head)

b). Uji tinggi energi turun (failing – Head)

c). Penentuan secara tidak langsung dari uji konsolidasi

d). Penentuan secara tidak langsung dari uji kapiler horizontal

Uji Permeabilitas Di Lapangan

1. Uji Permeabilitas Dengan Menggunakan Sumur Uji

Cara pemompaan dari air sumur uji dapat dipakai untuk

menentukan koefisien permeabilitas (k) di lapangan.dalam cara

ini,sebuah sumur digali danairnya di pompa dengan debit air tertentu

secara kontinu.permukaan penurunan yang telah stabil yaitu garis

penurunan muka air tanah yang terendah.

Jari-jari R dalam teori hidrolika sumuran di sebut jari-jari

pengaruh kerucut penurunan (radius of influence of the depression

cone).Aliran air ke dalam sumur merupakan aliran gravitasi,dimana

muka air tanah mengalami tekanan atmosfer.Debit pemompaan pada

kondisi aliran yang telah stabil dinyatakan oleh persamaan DARCY :

q = vA = kiA = k (dy/dx) A (m /det)

Dengan :

v = Kecepatan aliran (m/det)

A = Luas aliran (m2)

i = dy/dx = gradient hidrolik

dy = ordinat kurva penurunan

dx = absis kurva penurunan

2. Uji Permeabilitas Pada Sumur Artesis

Air yang mengalir dipengaruhi oleh tekanan artesis.

Debit arah Radial :

4


q = kA

Dengan :

q = Debit arah radial (m /det)

A = 2π Luas tegak lurus arah aliran (m )

T = Tebal lapisan lolos air (m)

dy/dx = i = Gradien Hidrolik

3. Hitungan Koefisien Permeabilitas Secara Teoritis

Menurut Hagen dan Poiseuille,banyaknya aliran air dalam satuan

waktu (q) yang lewat pipa dengan jari-jari R,dapat dinyatakan dengan

persamaan :

q =

Dengan :

= Berat volume air

= Koefisien kekentalan absolute

a = Luas penampang pipa

S = gradient hidrolik

Jari-jari hidrolik R dari pipa kapiler dinyatakan dalam persamaan :

R =

3.3. REMBESAN

5


Rembesan yang akan dipelajari disini didasarkan pada analisis dua

dimensi. Bila tanah dianggap homogen dan isotropis, maka dalam bidang x-z

hokum darcy dapat dinyatakan sebagai berikut:

v = ki = -k

v = ki = -k

3.3.1 Jaring Arus (Flow Net)

Sekelompok garis aliran dan garis ekipotensial disebut jaring arus

(flow net). Garis ekipotensial adalah garis-garis yang mempunyai tinggi

energi potensial yang sama (h konstan). Permeabilitas lapisan lolos air

dianggap isotropis ( k = k = k ).

3.3.2 Tekanan Rembesan

Air pada keadaan statis didalam tanah, akan mengakibatkan tekanan

hidrostatis yang arahnya keatas (uplift). Akan tetapi, jika air mengalir lewat

lapisan tanah, aliran air akan mendesak partikel tanah sebesar tekanan

rembesan hidrodinamis yang bekerja menurut arah alirannya. Besarnya

tekanan rembesan akan merupakan fungsi dari gradient hidrolik.(i)

3.3.2.1 Pengaruh Tekanan Air Terhadap Stabilitas Tanah

Tekanan hidrodinamis mempunyai pengruh yang besar pada

stabilitas tanah. Tergantung pada arah aliran, tekanan hidrodinamis dapat

dipengaruhi oleh berat volume tanah.

3.3.2.2 Teori Kondisi Mengapung (Quick – condition)

6


Telah disebutkan bahwa tekanan hidrodinamis dapat mengubah

keseimbangan lapisan tanah. Pada keadaan seimbang, besarnya gayayang

bekeja dibawah W = sama dengan gaya rembesan D = , atau

W-D = O

Dengan adalah gradient hidrolikkritis pada keseimbangan gaya

diatas. Besarnya berat tanah terendam air ,adalah :

W = = ( 1-n )( - 1 )

= (kN/m 3 . t/m )

3.3.2.3. Keamanan Bangunan Terhadap Bahaya Piping

Telah disebutkan bahwa bila tekanan rembesan keatas yang terjadi

dalam tanah sama dengan i , maka tanah akan pada kondisi mengapung.

Keadaan semacam ini juga dapat berakibat terangkutnya butir-butir tanah

halus, sehingga terjadi pipa-pipa didalam tanah yang disebut Piping. Akibat

pipa-pipa yang berbentuk rongga-rongga, dapat mengakibatkan fondasi

bangunan mengalami penurunan, hingga mengganggu stabilitas bangunan.

Faktor keamanan bangunan air terhadap bahaya piping, sebagai berikut :

SF =

Dengan i adalah gradien keluar maksimum (maximum exit gradient )

dan i = Gradien keluar maksimum tersebut dapat ditentukan dari

jarring arus dan besarnya sama dengan tinggi energi antara garis ekipotensial

terakhir, dan l adalah panjang dari elemen aliran.

Lane (1935) menyelidiki keamanan struktur bendungan terhadap

bahaya piping. Panjang lintasan air melalui dasar bendungan dengan

memprhatikan bahaya pipingdihitung dengan cara pendekatan empiris,

sebagai berikut :

7


L =

Dengan :

L = Weighted – creep – distance

= Jumlah jarak horizontal menurut lintasan terpendek

= Jumlah jarak vertical menurut lintasan terpendek

Setelah weighted – creep – distance dihitung, weighted – creep –

ratio (WCR) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan :

WCR =

3.3.3 Kondisi Tanah Anisotropis

Dalam tinjauan tanah anisotropis, walaupun tanah mungkin

homogen, tapi mempunyai permeabilitas yang berbeda pada arah vertical

dan horizontalnya. Kebanyakan tanah pada kondisi alamnya dalam keadaan

anisotropis, artinya mempunyai koefisien permeabilitas yang tidak sama

kesegala arah, yaitu maksimum searah lapisan (arah horizontal), dan

minimum kearah tegak lurus lapisannya (arah vertical). Arah-arah ini

selanjutnya dinyatakan dalam arah x dan z. Dalam kondisi ini, permeabilitas

pada arah horizontal dan vertikalnya dapat dinyatakan dalam bentuk :

k = k mak dan k = k

Untuk hal ini, persamaan Dracy akan bernentuk :

V = -k i = -k

Vz = -k i = -k

3.3.4 Kondisi Tanah Berlapis

8


3.3.4.1. Menghitung Debit Rembesan Tanah Berlapis Dengan Cara

Jaring Arus

3.3.4.2. Menghitung Debit Rembesan Tanah Berlapis Dengan Cara

Menganggap Sebagai Lapisan Tunggal

3.3.5 Rembesan Pada Struktur Bangunan

Hukum Dracy dapat digunakan untuk menghitung dabit rembesan

yang melalui struktur bendungan. Dalam perencanaan sebuah bendungan,

perlu diperhatikan stabilitasnya terhadap bahaya longsoran, erosi lereng dan

kehilangan air akibat rembesan yang melalui tubuh bendungan.

3.3.5.1 Cara Dupuit

3.3.5.2 Cara Scahffernak

3.3.5.3 Cara A. Casagrande

3.3.5.4 Penggambaran Garis Rembesan Secara Grafis

Jika bentuk dan posisi garis rembesan paling atas pada potongan

melintang bendungan diketahui, besarnya rembesan rembesan dapat

dihitung. Bentuk garis rembesan , kecuali dapat ditentukan secara analistis ,

dapat juga ditentukan secara grafis atau dari pengamatan laboratorium dari

sebuah model bendungan sebagai prototype, ataupun juga secara analogi

elektris.

Pengamatan menunjukkan bahwa garis rembesan yang melalui yang

melalui bendungan berbentuk kurva parabolis, akan tetapi penyimpangan

kurva terjadi pada daerah hulu dan hilirnya. Pengamatan secara grafis

didasarkan pada sifat khusus dari kurva parabola.

3.3.5.5 Debit Rembesan Pada Bendungan Tanah Anisotropis

9


Jika permeabilitas tanah bahan bendungan anisotropis, untuk

menghitung debit rembesan, maka penampang bendungan harus lebih dulu

ditranformasi. Seperti yang telah dipelajari sebelumnya, nilai x

transformasi adalah ;

x =

Maka seluruh hitungan harus didasarkan pada

gambartransformasinya, demikian juga untuk koefisien permeabilitas

ekivalen :

K’ =

3.3.5.6 Kondisi Aliran Masuk,Keluar, dan Kondisi Transfer

Kondisi-kondisi aliran masuk,keluar, dan kondisi transfer dari garis

rembesan melalui badan bendungan telah dianalisis oleh Casagrande (1937),

maksud dari kondisi aliran masuk adalah bila aliran rembesan berasal dari

daerah bahan tanah dengan koefisien permeabilitas sangat besar.

3.3.6 Filter

Bila air rembesan mengalir dari lapisan berbutir lebih halus menuju

lapisan lebih kasar, kemungkinan terangkutnya butiran lebih halus lolos

melewati bahan yang lebih kasar tersebut dapat terjadi. Erosi butiran dapat

mengakibatkan turunnya tahanan aliran air dan naiknya gradient hidrolik.

Bila kecepatan aliran membesar akibat dari pengurangan tahanan

aliran yang berangsur-angsur turun, akan terjadi erosi butiran yang lebih

besar lagi sehingga membentuk pipa-pipa didalam tanah yang dapat

mengakibatkan keruntuhan pada bendungan.

10


Filter atau drainase untuk mengendalikan rembesan, harus memenuhi

dua persyaratan:

1). Ukuran pori-pori halus cukup kecil untuk mencegah butir-butir tanah

terbawa aliran.

2). Permeabilitas harus cukup tinggi untuk mengizinkan kecepatan

drainase yang besar dari air masuk filternya.

11

bab iii air tanah permeabilitas dan rembesan bahan kuliah mekanika tanah 1

Documents