penentuan nilai konduktivitas hidrolik tanah tidak …

Asmaranto dkk., Penentuan Nilai Konduktivitas Hidrolik Tanah Tidak Jenuh Menggunakan Uji Resistivitas di Laboratorium 81

81

PENENTUAN NILAI KONDUKTIVITAS HIDROLIK TANAH TIDAKJENUH MENGGUNAKAN UJI RESISTIVITAS DI LABORATORIUM

Runi Asmaranto1,2, Ria Asih Aryani Soemitro2, Nadjadji Anwar2

1Jurusan Teknik pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya ([email protected])2Jurusan Teknik Sipil, FTSP Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya (INDONESIA)

Abstrak: Resistivitas listrik dapat digunakan untuk mengidentifikasikan parameter geoteknik sepertikadar air, batas cair, batas plastis dan berat volume tanah. Telah diketahui bahwa nilai konduktivitashidrolik dapat diprediksi berdasarkan nilai sifat fisik tanah, maka seharusnya nilai konduktivitas hidroliktanah juga dapat ditentukan melalui pengujian resistivitas. Beberapa peneliti menjelaskan bahwakonduktivitas hidrolik tanah tidak jenuh berkorelasi dengan kurva karakteristik air-tanah (soil-watercharacteristic curve, SWCC), sehingga perkiraan nilai konduktivitas hidrolik menggunakan uji resistivitassangat penting untuk dikembangkan dengan mengamati perilaku tanah.Penelitian ini mengkaji perubahan konduktivitas hidrolik tanah tidak jenuh berdasarkan pengujianresistivitas laboratorium. Hasil pengujian dibandingkan dengan metode empiris Gardner (1958) danCampbel (1973). Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa nilai konduktivitas hidrolik tanah tidakjenuh berkorelasi cukup baik dengan kedua metode empiris yang digunakan.

Kata Kunci: soil-water characteristic curve, SWCC, konduktivitas hidrolik, tanah tidak jenuh, suction

Abstract: Electrical resistivity can be used to identify geotechnical parameters such as water content,liquid limit, plastic limit and unit weight. It is known that the hydraulic conductivity values can be pre-dicted based on soil properties, so that should be determined through resistivity laboratory test. Someresearchers explained that unsaturated soil hydraulic conductivity correlated with soil-water characteris-tic curve (SWCC), thus the estimated values of hydraulic conductivity using a resistivity test is very impor-tant to be developed by observing the behavior of the soil.This study examines changes in hydraulic conductivity of unsaturated soil based on laboratory resistivitytest. The results are compared with Gardner (1958) and Campbel (1973) empirical methods. The resultsshow that the unsaturated soil hydraulic conductivity correlates well with the empirical methods used.

Keywords: soil-water characteristic curve, hydraulic conductivity, unsaturated soil, suction

Konduktivitas hidrolik tanah tidak jenuh (K), diketahuisangat dipengaruhi oleh perubahan kadar air (w

c)

atau tegangan air pori negatif (suction, -Uw) dimana

nilai K ini sangat penting untuk memperkirakan vo-lume air didalam zone tidak jenuh (Revil and Cathles,1999). Pada pengukuran lapangan, variasi nilai kon-duktivitas hidrolik arah horisontal dan vertikal cukupbesar (Reynolds and Elrick, 1985; Mohanty et al.,1994) sehingga membutuhkan data pengamatan yangbanyak untuk mendapatkan perkiraan hasil yang cu-kup memuaskan (Warrick et al., 1977).

Sebuah model matematika telah dikembangkanuntuk memodelkan konduktivitas hidrolik tidak jenuhsebagai fungsi dari dari beberapa parameter yangdikenal sebagai soil-water characteristic curve (Luand Likos, 2004). Resistivitas mungkin merupakansifat fisik dasar suatu tanah sehingga bisa digunakan

untuk penyelidikan tanah, namun sulit untuk meng-korelasikan secara langsung terhadap kadar air, batascair dan plastis serta berat volume (Giao et al., 2003).Resistivitas listrik tidak hanya bergantung pada ma-terial tanah tetapi juga konsentrasi ion pada air pori.Sehingga, hal ini akan menimbulkan kelebihan dankekurangan jika dibandingkan dengan pengujian geo-teknik secara konvensional.

Permeabilitas juga sering dikenal sebagai kon-duktivitas hidrolik jenuh. Istilah permeabilitas didefi-nisikan oleh beberapa ahli dalam kalimat yang ber-beda tetapi mengandung arti yang sama. Kesulitanutama dari penggunaan parameter ini adalah rentangnilai resistivitas yang cukup besar untuk beberapajenis tanah. Nilai resistivitas suatu tanah sangat di-pengaruhi oleh kandungan air didalamnya. Tanah je-nuh mempunyai nilai resistivitas lebih kecil jika di-

82 Jurnal Teknik Pengairan, Volume 3, Nomor 1, Mei 2012, hlm 81–86

bandingkan dengan tanah tidak jenuh. Resistivitasatau hambatan jenis yang kecil berarti bahwa mudahmenghantarkan listrik karena pengaruh keberadaanair (Kodoatie, 1996).

BAHAN DAN METODEPerlakuan Benda Uji

Benda uji yang digunakan adalah Mojokerto SiltyLoam (menurut Klasifikasi Tanah Metode USDA(United Stated Department of Agricultural) danMH (elastic silt) menurut Kriteria USCS (UnifiedSoil Classification System). Benda uji diberikan per-lakuan pembasahan dan pengeringan dengan caramenambahkan dan mengurangi sejumlah kadar air.(Asmaranto et al, 2010). Tabel 1 menunjukkan prosespembasahan dan pengeringan pada benda uji.

Tabel 1. Pengaturan penambahan dan pengurangankadar air pada benda uji.

Gambar 1. Skema pengukuran resistivitas diLaboratorium

Kajian PustakaPada tanah jenuh, aliran air dalam tanah sesuai

dengan hukum Darcy, dimana kecepatan aliran airyang melalui massa tanah sebanding dengan gradienhidraulik:

yh

kV www

(1)

dengan:V

w= Kecepatan aliran air

Kw

= Koefisien Permeabilitas

hw/ y= Gradien hidrolik

Menurut Fredlund dan Rahardjo (1993), hukumDarcy juga diterapkan untuk aliran air dalam tanahtidak jenuh. Perbedaannya adalah pada koefisienpermeabilitas. Pada tanah jenuh koefisien permea-bilitas dianggap konstan sebab hanya tergantung pa-da angka pori. Anggapan ini tidak berlaku pada tanahtidak jenuh. Koefisien tanah tidak jenuh dipengaruhioleh perubahan kadar air atau matric suction. Airtidak dapat mengalir melalui ruang pori yang terisiudara, namun air hanya dapat mengalir melalui ruangpori yang terisi oleh air. Pada waktu tanah dalamkondisi tidak jenuh, udara menempati ruang pori yangbesar. Akibatnya air hanya dapat mengalir melaluipori yang lebih kecil. Seiring dengan meningkatnyategangan air pori negatif, ruang pori lebih banyakterisi oleh udara, sehingga permeabilitas menjadi ber-kurang. Disamping angka pori, derajat kejenuhan (ka-dar air) adalah faktor penting lain yang mempengaruhipermeabilitas tanah tidak jenuh.

Pengujian LaboratoriumTanah dengan perlakukan pembasahan dan pe-

ngeringan di atas selanjutnya masing-masing dilaku-kan pengujian sifat fisik yang meliputi nilai: kadar air(w

c) digunakan standar uji ASTM D2216-71, uji

volumetri-gravimetri digunakan standar uji ASTMD854-72 meliputi: angka pori (e), derajat kejenuhan(S

r), kepadatan kering (dry density, g

d) dan berat

volume tanah (unit weight,g). Sedangkan pengujiantegangan air pori negatif (suction, -U

w) dilakukan

dengan menggunakan kertas filter type WhatmanNo.42.

Pengujian resistivitas di laboratorium dilakukandengan menggunakan Alat Geolistrik merk “MartielGeophysics Resistivity Meter” berdasarkan konfi-gurasi Wenner (Kodoatie, 1996).

Untuk mengetahui keakuratan hasil pengujianmenggunakan uji kolom infiltrasi maka nilai konduk-tivitas hidrolik tanah tidak jenuh dibandingkan denganhasil perhitungan dengan menggunakan MetodeCampbel (1973) dan Metode Gardner (1958) dimana

kedua metode ini ditentukan berdasarkan parametertegangan air pori negatif dan nilai volumetric watercontent, qw (Leong and Rahardjo, 1997; Lu dan Li-kos, 2004; Muntaha, 2005). Konfigurasi model re-sistivitas sebagaimana terlihat pada Gambar 1.


Menurut Fredlund dan Rahardjo (1993), kurvakarakteristik tanah-air (kurva drying atau wetting)dapat digunakan untuk menghitung koefisien perme-abilitas k

w (q

w) tanah tak jenuh. Campbell (1973)

membuat suatu persamaan empiris untuk menghitungkoefisien permeabilitas tanah tak jenuh (k

w) seperti

berikut:

32

b

s

wsw kk

(2)

dengan:

w

b

log

log

dimana:k

w = koefisien permeabilitas tanah tidak jenuh

ks

= koefisien permeabilitas jenuhq

w= volumetric water content

qs

= volumetric water content kondisi jenuh = suction

Menurut Gardner (1958) konduktivitas hidroliktidak jenuh memenuhi persamaan sebagai berikut (Ludan Likos, 2004):

ns

ak

k

1

)( (3)

dengan:k() = konduktivitas hidrolik tidak jenuh (cm/detik)k

s= konduktivitas hidrolik tanah jenuh (cm/detik)

a = konstanta tidak berdimensi, parameter yangberkaitan dengan air-entry pressure

n = curve-fitting parameters, nilainya berkisarantara 2 – 4.

= soil suction (kPa)

Analisis DataAnalisis Data dihubungkan untuk menentukan

hubungan-hubungan antara perubahan sifat fisik se-perti: kadar air (w

c), derajat kejenuhan (S

r), porositas

(n), angka pori (e), kepadatan kering (d), suction (-

Uw) dan konduktivitas hidrolik (k

w).

HASIL DAN PEMBAHASANBerdasarkan hasil pengujian sifat fisik tanah kon-

disi awal (initial) maka diketahui bahwa tanah dido-minasi oleh jenis lanau (51,74%), mengandung fraksihalus lempung (clay) sebesar 25,81% dan pasir(sand) 22,45%. Sedangkan pengujian batas-bataskonsistensi diketahui bahwa tanah memiliki plastisitascukup tinggi (PI = 23,32%), hal ini mendukung kriteria

tanah berdasarkan metode USCS digolongkan se-bagai MH (lanau plastisitas sedang sampai tinggi).Gambar 2 menunjukkan hasil fotogrametri pada ben-da uji. Tabel 2 menunjukkan hasil pengujian sifat fisiktanah kondisi awal.

Gambar 2. Hasil fotomikrografi tanah Mojokerto siltyloam

Tabel 2. Hasil pengujian sifat fisik tanah terhadapbenda uji awal.

Sumber: hasil analisis, 2012

Gambar 3.a menunjukkan hubungan antara per-ubahan kadar air terhadap konduktivitas hidrolik. Ter-lihat bahwa semakin besar nilai kadar air maka kon-duktivitas hidrolik juga semakin besar. Pada kondisijenuh (S

r = 100%) akan meningkatkan nilai k

w menjadi

1.60 x 10-4 cm/detik (Gambar 3.c). Sedangkan padakondisi S

r = 40% atau tanah mencapai kadar air (w

c)

= 13% diperoleh nilai konduktivitas hidrolik sekitar1.80 x 10-5 cm/detik. Pada kondisi jenuh (S

r = 100%)

nilai konduktivitas hidrolik mendekati nilai permeabi-


litas tanah jenuh yang ditentukan berdasarkan peng-ujian tinggi jatuh (falling head) dimana pada kondisiini berlaku hukum Darcy. Hukum Darcy secara ku-antitatif mengukur volume air pada tanah jenuh dandinyatakan bahwa kecepatan air (v) sama dengannilai konduktivitas hidrolik tanah jenuh (k) dikalikandengan gradien hidrolik (i) atau dinyatakan sebagai:v = k.iNilai AEP

Gambar 3.b menunjukkan hubu-ngan antara nilaitegangan air pori negatif/suction (-U

w) terhadap nilai

konduktivitas hidrolik. Fenomena ini mengindikasikanbahwa konduktivitas hidrolik tanah tidak jenuh dapatjuga digambarkan sesuai dengan parameter suction.Lu and Likos (2004) juga menerangkan bahwa kon-

duktivitas hidrolik tanah adalah fungsi dari variabel-variabel seperti: struktur pori (angka pori dan poro-sitas), sifat-sifat fluida pori (kepadatan dan keken-talan), dan sejumlah fluida pori didalam sistem tanah(kadar air dan derajat kejenuhan). Juga menurut Luand Likos (2004) bahwa nilai konduktivitas hidrolikdapat juga digambarkan dari parameter matric suc-tion. Perilaku hubungan antara kepadatan kering de-ngan konduktivitas hidrolik disajikan pada Gambar3.d, sedangkan Gambar 3.e menunjukan hubunganantara perubahan kadar air volumetrik dengan kon-duktivitas hidrolik.

Gambar 4 menunjukkan perban-dingan hasil an-tara konduktivitas hidrolik metode empiris Gardner

Gambar 3. Hubungan antara perubahan kadar air (wc) terhadap nilai suction (-Uw), derajat kejenuhan (Sr),kepadatan kering (gd), kadar air volumetrik (qw) dan konduktivitas hidrolik tidak jenuh (kw) akibat proses

pembasahan dan pengeringan pada tanah Mojokerto silty loam


Gambar 4. Hubungan antara derajat kejenuhan dankonduktivitas hidrolik.

Gambar 5 menunjukkan hubu-ngan antara suc-tion dengan konduktivitas hidrolik pada tanah siltyloam. Pada metode Gardner (1958) terlihat bahwapada kondisi tanah mencapai nilai –U

w £ 20 kPa atau

sebelum mencapai titik air entry value (AEP) makanilai konduktivitas hidrolik cenderung konstan. Padakondisi ini diduga tanah masih berada pada kondisijenuh air. Kondisi AEP adalah suatu kondisi dimanaudara pori mulai masuk kedalam pori-pori tanah, dandiperkirakan pada kondisi ini tanah mulai masuk zonetidak jenuh. Pada Gambar 6 menunjukkan hubunganantara porositas tanah dengan nilai konduktivitas hi-drolik. Secara umum terlihat jelas bahwa semakinbesar porositas tanah maka konduktivitas hidrolik jugasemakin besar. Hal ini terjadi pada semua metodeempiris yang dibandingkan. Nilai porositas tanahberkisar antara 0,475–0,590.

Gambar 7 dan Gambar 8 menunjukkan grafikkorelasi konduktivitas hidrolik antara metode resisti-vitas dengan metode empiris Campbell (1973) danGardner (1958). Tampak bahwa hasil pengujian kon-duktivitas hidrolik metode resistivitas mempunyai ko-relasi yang dekat dengan Metode Campbell (1973)dengan nilai determinasi R2 = 0,961 sedangkan ter-hadap metode Gardner (1958) didapat koefisien de-terminasi R2 = 0,829. Namun demikian kedua metodetersebut masih memiliki korelasi yang cukup erat de-ngan nilai R2 > 0,5.

(1958) dan Campbel (1973). Terlihat bahwa ketigametode yang digunakan memiliki perilaku yang ham-pir sama jika dihubungkan dengan perubahan derajatkejenuhan. Soemitro and Asmaranto (2001) juga men-jelaskan bahwa pengurangan sejumlah air pada tanahkohesif akan menyebabkan tanah menjadi lebih padatakibat pengurangan angka pori. Perubahan-perubah-an volume pori tentu menyebabkan perubahan para-meter konduktivitas hidrolik tanah tidak jenuh.

Gambar 6. Hubungan antara porositas dengankonduktivitas hidrolik

Gambar 5. Hubungan antara suction dan konduktivitashidrolik

Gambar 7. Korelasi antara konduktivitas hidrolikmetode resistivitas laboratorium dengan Metode

Gardner (1958)

Gambar 8. Hubungan antara konduktivitas hidrolikyang ditentukan dengan uji resistivitas laboratorium

dengan Metode Campbel (1973)


KESIMPULANPerubahan sifat fisik tanah akan terjadi jika ter-

jadi perubahan kadar air didalam tanah akibat prosespembasahan dan pengeringan dimana proses ini se-ring terjadi pada daerah tropis. Perubahan-perubahansifat fisik seperti: porositas, angka pori, kepadatankering, berat volume akan mempengaruhi suction(tegangan air pori negatif) dan konduktivitas hidrolik.Pengujian resistivitas laboratorium dapat digunakansebagai alternatif untuk mengukur nilai konduktivitashidrolik tanah tidak jenuh, dimana hasil pengujian de-ngan menggunakan metode ini berkorelasi denganbaik terhadap metode empiris Campbel (1973) danGardner (1958).

DAFTAR PUSTAKAAsmaranto, R., Soemitro, R.A.A, Anwar N. 2010. Changes

of Soil Erodibility due to Wetting and Drying CyclesRepetitions on the Residual Soil. International Jour-nal of Academic Research, Azerbaijan: Vol 2. No 5.September 2010.

ASTM D2216. Standard test methods for laboratory de-termination of water (moisture) content of soil androck by mass. ASTM Standard and Test Methods.ASTM International. USA.

ASTM D854. Standard test methods for specific gravityof soil solids by water pycnometer. ASTM Standardand Test Methods. ASTM International. USA.

Campbell, J.D. 1973. Pore pressures and volume changesin unsaturated soils. Ph.D. Thesis, University of Illi-nois at Urbana-Champaign, IL.

Doussan, C., Ruy, S. 2009. Prediction Unsaturated SoilHydraulic Conductivity with Electrical Conductiv-ity. Water Resources Research. Vol 45. 1-12.

Fredlund, D.G., and Rahardjo, H. 1993. Soil Mechanicsfor Unsaturated Soils. New York: Willey Publications.

Gardner, W.R. 1958. Some steady state solutions of theunsaturated moisture flow equation with applica-tion to evaporation from a water table. Soil Sci-ence, 85, No. 4, 228-232.

Giao, P.H., Chung, S.G., Kim D.Y., Tanaka, H. 2003. Elec-tric Imaging and Laboratory Resistivity Testing forGeotechnical Investigation of Pusan Clay Depos-its. Journal of Applied Geophysics 52. 157–175.

Liu, N., Likos, W.J. 2004. Unsaturated Soil Mechanics.John Wiley & Sons.

Leong, E.C., and Rahardjo, H. 1997. Permeability func-tions for unsaturated soils. Journal of geotechnicaland geoenvironmental engineering, December.

Mohanty, B.P., M.D. Ankey, R., Horton, dan R.S Kanwar.1994. Spatial analysis of hydraulic conductivitymeasured using disc infiltrometers, Water Resour.Res., 30, 2489-2498.

Muntaha, M. 2005. Studi pengaruh infiltrasi terhadapkestabilan lereng tanah residual lanau kelempung-an dari daerah G.kawi Malang. Tesis S2. InstitutTeknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

Kodoatie, R.J. 1996. Pengantar Hidrogeologi. Yogyakar-ta: Penerbit Andi.

Revil. A, and L. M. Cathles (1999). Permeability of ShalySands, Water Resour. Res, 35, 651-662.

Reynold, W.D., and D.E Elrick. 1985. In situ Measurementof filed saturated hydraulic conduc-tivity, sorptivity,and the a-parameter using the Guelph permeameter,Soil Sci. 140 (4) 292-302.

Soemitro, R.A.A., and Asmaranto, R. 2001. Influence ofwetting-drying cycle’s repetitions to the soil dynamicproperties on unsaturated expansive soil using cy-clic triaxial apparatus. Proceeding. SeminarNasional. ITS. Surabaya.

Warrick, A.W.., G.J. Mullen., and D.R. Nielsen. 1977. Pre-dictions of the soil water flux based upon filed-mea-sured soil-water properties, Soil Sci. Soc. Am. J., 41,14-19.

penentuan nilai konduktivitas hidrolik tanah tidak …

Documents