Materi Mekanika Tanah 1 - Kuat Geser Tanah

Download Materi Mekanika Tanah 1 - Kuat Geser Tanah

Post on 14-Sep-2015

382 views

Category:

Documents

146 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Parameter kuat geser tanah diperlukan untuk analisis-analisis kapasitas dukung tanah, stabilitas lereng, dan gaya dorong pada dinding penahan tanah.Kuat geser tanah adalah gaya perlawanan yang dilakukan oleh butir-butir tanah terhadap desakan atau tarikan.

TRANSCRIPT

  • KUAT GESER TANAH

    Materi Kuliah : Mekanika Tanah I

    Oleh : Tri Sulistyowati

  • DEFINISI Parameter kuat geser tanah diperlukan untuk analisis-analisis kapasitas

    dukung tanah, stabilitas lereng, dan gaya dorong pada dinding penahan

    tanah.

    Mohr (1910) memberikan teori kondisi keruntuhan suatu bahan. Keruntuhan suatu bahan terjadi oleh akibat adanya kombinasi keadaan

    kritis dari tegangan normal dan tegangan geser.

    Hubungan fungsi antara tegangan normal dan tegangan geser pada bidang runtuhnya, dinyatakan menurut persamaan :

    t = (s) (1) dengan t adalah tegangan geser pada saat terjadinya keruntuhan atau

    kegagalan, dan s adalah tegangan normal pada saat kondisi tersebut.

    Garis kegagalan yang didefinisikan dalam persamaan (1), adalah kurva yang ditunjukkan dalam Gambar 1

    Kuat geser tanah adalah gaya perlawanan yang dilakukan oleh butir-butir tanah terhadap desakan atau tarikan.

    Bila tanah mengalami pembebanan akan ditahan oleh: 1. Kohesi tanah yang bergantung pada jenis tanah dan kepadatannya,

    tetapi tidak tergantung dari tegangan vertikal yang bekerja pada

    bidang geseran.

    2. Gesekan antara butir-butir tanah yang besarnya berbanding lurus

    dengan tegangan vertikal pada bidang gesernya.

  • TEORI KERUNTUHAN GESER

    MOHR-COULOUMB

    Coulomb (1776) mendefinisikan fungsi (s) sebagai:

    t = c + s tan f (2)

    dengan:

    t = kuat geser tanah

    c = kohesi tanah

    f = sudut gesek dalam tanah

    s = tegangan normal pada bidang runtuh

    Persamaan (2) ini disebut kriteria keruntuhan atau kegagalan MohrCoulomb, di mana garis selubung kegagalan dari persamaan

    tersebut dilukiskan dalam Gambar 1.

    Persamaan ini menghasilkan data yang relatif tidak tepat, nilai-nilai c dan f yang diperoleh sangat tergantung dari jenis pengujian yang dilakukan

  • TEORI KERUNTUHAN GESER

    MOHR-COULOUMB

    Gambar 1.

    Kriteria Keruntuhan

    Mohr dan Couloumb

    Pengertian mengenai keruntuhan suatu bahan dapat diterangkan sebagai

    berikut :

    Jika tegangan-tegangan baru mencapai titik P, keruntuhan geser tidak akan terjadi.

    Keruntuhan geser akan terjadi jika tegangan-tegangan mencapai titik Q yang terletak pada garis selubung kegagalan.

    Kedudukan tegangan yang ditunjukkan oleh titik R tidak akan pernah terjadi, karena sebelum tegangan yang terjadi mencapai titik R, bahan

    sudah mengalami keruntuhan.

  • TEORI KERUNTUHAN GESER

    MOHR-COULOUMB

    Tegangan-tegangan efektif yang terjadi di dalam tanah sangat dipengaruhi oleh tekanan air pori.

    Terzaghi (1925) mengubah persamaan Coulomb dalam bentuk tegangan efektif sebagai berikut:

    t = c + (s u) tan f = c + s tan f (3)

    dengan:

    c' = kohesi tanah efektif

    s' = tegangan normal efektif

    u = tekanan air pori

    f '= sudut gesek dalam tanah efektif

    Persamaan ini menghasilkan data nilai-nilai c dan f yang relatif lebih tepat dan tidak tergantung dari jenis pengujiannya

  • PERSAMAAN TEGANGAN GESER

    Kuat geser tanah juga bisa dinyatakan dalam bentuk tegangan-tegangan efektif s1' dan s3' pada saat keruntuhan terjadi. s1' adalah tegangan utama

    mayor efektif dan s3' adalah tegangan utama minor efektif.

    Lingkaran Mohr dalam bentuk lingkaran tegangan, dengan koordinat-koordinat t dan s', dapat dilihat dalam Gambar 2.

    Persamaan tegangan geser, dinyatakan oleh: t = (s1' - s3') sin 2q (4)

    s = (s1' + s3') + (s1' - s3') cos 2q (5)

    dengan q adalah sudut teoretis antara bidang horizontal dengan bidang

    runtuh, yang besarnya:

    q = 45o + f/2 (6) Dari Gambar 2. hubungan antara tegangan utama efektif saat keruntuhan

    dan parameter kuat geser juga dapat diperoleh.

    Besarnya nilai parameter kuat geser, dapat ditentukan dari persamaan-persamaan:

    (7)

    (s1' - s3') = 2 c cos f + (s1' + s3') sin f (8)

    Persamaan ini digunakan untuk kriteria keruntuhan atau kegagalan menurut

    Mohr-Coulomb

    )''('ctgc

    )''('sin

    3121

    3121

    s+s+f

    ss=f

  • LINGKARAN MOHR

    Gambar 2. Lingkaran Mohr

  • KONDISI TEGANGAN GESER

    Bila kedudukan tegangan-tegangan digambarkan dalam koordinatkoordinat p - q, dengan :

    p = (s1' + s3') dan q = (s1' - s3')

    sembarang kedudukan tegangan dapat ditunjukkan oleh sebuah titik

    tegangan sebagai ganti dari lingkaran Mohr (Gambar 3).

    Pada Gambar 3 ini, garis selubung kegagalan ditunjukkan oleh persamaan: (s1' + s3') = a + (s1' + s3') tg a (9)

    dengan a' dan a' adalah parameter modifikasi dari kuat gesernya.

    Parameter c' dan f' diperoleh dari persamaan: f' = arc sin (tg a') (10)

    (11)

    Garis-garis yang menghubungkan titik-titik tegangan membuat sudut 45 dengan garis horizontal (Gambar 3), memotong sumbu horizontal pada

    titik yang mewakili tegangan utama s1' dan s3 .

    Perlu diingat bahwa : (s1' - s3') = (s1 - s3)

    'cos

    'a'c

    f=

  • KONDISI TEGANGAN GESER

    Gambar 3. Kondisi tegangan yang mewakili

  • UJI KUAT GESER

    TANAH

  • FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI BESARNYA

    KUAT GESER TANAH YANG DIUJI DI LABORATORIUM

    1. Kandungan mineral dari butiran tanah.

    2. Bentuk partikel.

    3. Angka pori dan kadar air.

    4. Sejarah tegangan yang pernah dialami.

    5. Tegangan yang ada di lokasinya (di dalam tanah).

    6. Perubahan tegangan selama pengambilan contoh dari dalam tanah.

    7. Tegangan yang dibebankan sebelum pengujian.

    8. Cara pengujian.

    9. Kecepatan pembebanan.

    10.Kondisi drainase yang dipilih, drainase terbuka (drained) atau drainase

    tertutup (undrained).

    11. Tekanan air pori yang ditimbulkan.

    12. Kriteria yang diambil untuk penentuan kuat geser.

    Butir (1) sampai (5) ada hubungannya dengan kondisi aslinya yang tak dapat dikontrol tetapi dapat dinilai dari hasil pengamatan lapangan,

    pengukuran, dan kondisi geologi.

    Butir (6) tergantung dari kualitas benda uji dan penanganan benda uji dalam persiapan pengujian.

    Sedangkan butir (7) sampai (12) tergantung dari cara pengujian yang dipilih.

  • JENIS-JENIS PENGUJIAN KUAT GESER TANAH

    DI LABORATORIUM

    (1) Uji geser langsung (direct shear test).

    (2) Uji triaksial (triaxial test).

    (3) Uji tekan bebas (unconfined compression test).

    (4) Uji kipas geser (vane shear test).

    1

    2 3

    4

  • 1. UJI GESER LANGSUNG (DIRECT SHEAR TEST)

    Gambar 4. Alat uji geser langsung

  • 1. UJI GESER LANGSUNG (DIRECT SHEAR TEST)

    1. Tanah benda uji dipaksa untuk mengalami keruntuhan (fail) pada

    bidang yang telah ditentukan sebelumnya.

    2. Distribusi tegangan pada bidang kegagalan tidak uniform.

    3. Tekanan air pori tidak dapat diukur.

    4. Deformasi yang diterapkan pada benda uji hanya terbatas pada

    gerakan maksimum sebesar alat geser langsung dapat

    digerakkan.

    5. Pola tegangan pada kenyataannya adalah sangat kompleks dan

    arah dari bidang-bidang tegangan utama berotasi ketika regangan

    geser ditambah.

    6. Drainase tidak dapat dikontrol, (hanya dapat ditentukan kecepatan

    penggeserannya).

    7. Luas bidang kontak antara tanah di kedua setengah bagian kotak

    geser berkurang ketika pengujian berlangsung. Koreksi mengenai

    kondisi ini diberikan oleh Petley (1966). Tetapi pengaruhnya

    sangat kecil pada hasil pengujian, hingga dapat diabaikan.

    BATASAN ATAUPUN KEKURANGAN DALAM PENGUJIAN GESER

    LANGSUNG

  • 2.UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST)

    Gambar 5. Alat pengujian triaksial

  • 2.UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST)

    Tegangan-tegangan yang bekerja pada benda uji dinotasikan s1, s2 dan s3.

    Tegangan s1 disebut tegangan utama mayor (major principal stress), tegangari s3 disebut tegangan utama minor (minor

    principal stress).

    Tegangan utama tengah (intermediate principal stress) s2 = s3, merupakan tegangan keliling atau tegangan sel (confining

    stress).

    Karena tinjauannya hanya dua dimensi, tegangan s2 sering tidak diperhitungkan.

    Tegangan yang terjadi dari selisih s1 dan s3 atau (s1 - s3) disebut tegangan deviator (deviator stress) atau beda tegangan (stress

    difference).

    TEGANGAN-TEGANGAN YANG BEKERJA

  • 2.UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST)

    Regangan aksial diukur selama penerapan tegangan deviator.

    Penambahan regangan akan menambah tampang melintang benda ujinya, karena itu, koreksi penampang benda uji dalam

    menghitung tegangan deviator harus dilakukan.

    Jika penampang benda uji awal Ao maka penampang benda uji (A) pada regangan tertentu selama pengujian adalah:

    (12)

    dengan Vo adalah volume awal, DV adalah perubahan volume, Lo adalah panjang benda uji awal, dan Dh adalah perubahan

    panjangnya.

    REGANGAN

    o

    oo

    L

    L1

    V

    V1

    AAD

    D

    =

  • 2.UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST)

    Pada pengujian kuat geser tanah, bila terdapat air di dalam tanah, pengaruh-pengaruh seperti: jenis pengujian, permeabilitas, kadar

    air, akan sangat menentukan nilai-nilai kohesi (c) dan sudut gesek

    dalam (f).

    Nilainilai kuat geser yang rendah terjadi pada pengujian dengan cara unconsolidated-undrained. Pada tanah lempung yang jenuh

    air nilai sudut gesek dalam (f) dapat mencapai nol, sehingga

    pada pengujian hanya diperoleh nilai kohesinya.

    Parameter-parameter kuat geser yang diukur dengan menggunakan ketiga cara pengujian di atas (triaksial UU, CU dan

    CD), hanya relevan untuk kasus-kasus di mana kondisi drainase

    di lapangan sesuai dengan kondisi drainase di laboratorium.

    PARAMETER KEKUATAN GESER TANAH

  • 2.UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST)

    (1) Uji triaksial unconsolidated-undrained (tak

    terkonsolidasi-tak terdrainase) (UU).

    (2) Uji triaksial consolidated-undrained (terkonsolidasi-tak

    terdrainase) (CU)

    (3) Uji triaksial consolidated-drained (terkonsolidasi

    terdrainase) (CD).

    JENIS UJI TRIAKSIAL

  • 2.UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST)

    Kuat geser tanah pada kondisi drainase terbuka (drained) tidak sama besarnya bila diuji pada kondisi tanpa drainase (undrained).

    Kondisi tanpa drainase (undrained) dapat digunakan untuk kondisi pembebanan cepat pada tanah permeabilitas rendah, sebelum

    konsolidasi terjadi.

    Kondisi dengan drainase (drained) dapat digunakan untuk tanah dengan permeabilitas rendah hanya sesudah konsolidasi di

    bawah tambahan tegangan totalnya telah betulbetul selesai.

    Kuat geser tanah yang berpermeabilitas rendah berangsurangsur berubah dari kuat geser undrained menjadi kuat geser drained

    selama kejadian konsolidasi.

    Pada tanah yang berpermeabilitas tinggi, kondisi terdrainase (drained) hanya relevan bila tiap tambahan tegangan yang

    diterapkan pada waktu singkat, diikuti oleh menghamburnya

    seluruh kelebihan tekanan air pori.

    Sehingga, tambahan tegangan secara cepat tidak mengakibatkan timbulnya kelebihan tekanan air pori dalam tanah

    KONDISI DRAINASE PADA PENGUJIAN KEKUATAN GESER TANAH

  • 2.UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST)

    VARIASI PROSES PEMBEBANAN PADA BENDA UJI

    DALAM TABUNG TRIAKSIAL

    Gambar 6. Variasi pengujian triaksial

    (a). Pengujian kompresi aksial (axial compression).

    (b). Pengujian dengan perpanjangan aksial (axial extension).

    (c). Uji triaksial dengan penerapan tekanan balik (backpressure)

  • 2.UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST)

    Kondisi Tegangan Dalam Uji Triaksial Dengan Pembebanan

    Aksial (Triaksial Kompresi/Tekan)

    Gambar 7.

    (a) Skema pengujian triaksial tekan.

    (b) Kondisi tegangan dalam benda uji.

  • 2.UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST)

    Penyelidikan yang dilakukan terhadap benda uji yang digunakan

    dalam pengujian triaksial menunjukkan kondisi sebagai berikut:

    (1) Karena adanya gesekan pada bagian bawah dan atas dari benda

    uji yang berhubungan dengan besi penekan, tegangan yang

    terjadi pada benda uji menjadi tidak homogen.

    (2) Besarnya sq tidak sama dengan sr pada seluruh tempat di dalam

    benda uji.

    (3) Deformasi di dalam benda uji tidak homogen dalam kebanyakan

    kasusnya.

    (4) Hasil pengujian sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti:

    gesekan pada piston, bocoran membran, dan kecepatan

    regangan yang diterapkan pada pengujian.

    Kondisi Benda Uji Yang Digunakan Dalam Pengujian Triaksial

  • 2.UJI TRIAKSIAL (TRIAXIAL TEST) Tabel 1. Nilai-nilai estimasi sudut gesek dalam (f) dari hasil

    pengujian triaksial (Bowles, 1977)

    Ukuran sedang 400 - 550 - 400-550

    Berpasir 350-500 - 350-500

    Kering & tidak padat 280-340 - -

    Jenuh & tidak padat 280-340 - -

    Kering & padat 350-460 - 430-450

    Jenuh & padat 1 - 2 kurang dari kering & padat

    - 430- 50

    Tidak padat 200- 220 - 270- 300

    Padat 250- 300 30 - 350

    0 (jika jenuh) 140-200 20 - 42

  • 3. UJI TEKAN BEBAS (UNCONFINED COMPRESSION TEST)

    Uji tekan bebas termasuk hal yang khusus dari pengujian triaksial unconsolidated-undrained (tak terkonsolidasi-tak terdrainase).

    Gambar skematik dari prinsip pembebanan dalam percobaan ini dapat dilihat pada Gambar 8.

    Kondisi pembebanan sama dengan yang terjadi pada uji triaksial, hanya tegangan selnya nol (s3 = 0)

    Gambar 8. Skema uji tekan bebas

  • 3. UJI TEKAN BEBAS (UNCONFINED COMPRESSION TEST)

    Pengujian ini hanya cocok untuk jenis tanah lempung jenuh, di mana pada pembebanan cepat, air tidak sempat mengalir ke

    luar dari benda uji.

    Pada lempung jenuh, tekanan air pori dalam benda uji pada awal pengujian negatif (tegangan kapiler).

    Tegangan aksial yang diterapkan di atas benda uji berangsur-angsur ditambah sampai benda uji mengalami keruntuhan.

    Pada saat keruntuhannya, karena s3 = 0 maka: s1 = s3 + sf = Dsf = qu dengan qu adalah kuat geser tekan bebas (unconfined

    compression strength).

    Secara teoritis, nilai dari Dsf pada lempung jenuh seharusnya sama seperti yang diperoleh dari pengujian-pengujian triaksial

    unconsolidated-undrained dengan benda uji yang sama. Jadi,

    (13)

    di mana su atau cu adalah kuat geser undrained dari tanahnya.

    Hubungan konsistensi dengan kuat geser tekan bebas tanah lempung diperlihatkan dalam Tabel 2.

    2

    qcs uuu ==

  • Konsistensi qu (kN/m2)

    Lempung keras > 400

    Lempung sangat kaku 200-400

    Lempung kaku 100-200

    Lempung sedang 50-100

    Lempung lunak 25- 50

    Lempung sangat lunak < 25

    3. UJI TEKAN BEBAS (UNCONFINED COMPRESSION TEST)

    Tabel 2. Hubungan kekuatan tekan bebas (qu) tanah lempung

    dengan konsistensinya

  • 4. UJI KIPAS GESER (VANE SHEAR TEST)

    Uji kipas geser dapat digunakan untuk menentukan kuat geser undrained baik di

    laboratorium maupun di lapangan pada lempung

    jenuh sempurna yang tidak retak-retak.

    Pengujian ini tidak cocok untuk selain dari jenis

    tanah tersebut.

    Khususnya, pengujian ini sangat cocok untuk lempung lunak, yang kuat gesernya mungkin

    berubah oleh penanganan pada waktu

    pengambilan contoh benda uji.

    Hasil pengujian tidak meyakinkan jika lempung mengandung pasir atau lanau.

    Spesifikasi peralatan : Alat pengujian terdiri dari kipas terbuat dari

    baja antikarat dengan 4 plat yang saling

    tegak lurus, terletak pada ujung dari batangi

    tongkat baja.

    Batang baja dilapisi dengan pelumas. Panjang kipas sama dengan 2 kali lebar

    pelat.

    Ukuran kipas dapat 15 cm x 7,5 cm dan 10 cm x 5 cm.

    Diameter batang kira-kira 1,25 cm.

    Gambar 9.

    Alat uji kipas geser

  • 4. UJI KIPAS GESER (VANE SHEAR TEST)

    Pelaksanaan pengujian :

    Kipas dan batangnya ditekankan di dalam tanah lempung di bawah dasar dari lubang bor pada kedalaman paling sedikit 3 kali diameter lubang bor.

    Uji kipas geser juga dapat digunakan pada lempung lunak tanpa lubang bor, dengan penembusan kipas langsung ke dalam tanah.

    Dalam h...