Cara Perbaikan Daya Dukung Tanah (Part 1)

Pemadatan Tanah Dalam (Deep Compaction)

Penggunaan dan Mekanisme Pemadatan
Pemadatan tanah dalam (deep compaction) ini terutama ditujukan untuk tanah non kohesive. Seringkali dijumpai kondisi dimana suatu lapisan tanah tak berkoshesi cukup tebal dalam keadaan yang tidak cukup padat ataurelative renggang (loose), atau akibat reklamasi suatu daerah rendah dibawah air. Pada cara yang disebut belakangan ini, karena tanah reklamasi tidak mungkin dibawah permukaan air. Jadi pengurukan dilakukan sekaligus dengan cara dumping sampai tanah urugan melampaui tinggi muka air setempat. Sebgai akibatnya, tanah urugan tersebut berada pada kondisi regang. Tanah-tanah seperti ini perlu dipadatkan dahulu sebelum digunakan sebagai bahan untuk bangunan.
Tanah tak berkohesi (dominan pasir) ynag renggang harus dipadatkan dahulu karena pada tanh-tanah seperti ini mudah terjadi peristiwa liquefaction bilamana terjadi getaran yang cukup kuat (dari gempa bumi atau lainnya). Liquefaction merupakan peristiwa dimana tanah seolah-olah bersifat seperti cair dan mudah bergerak dan berubah bentuk akibat adanya getaran dan tekanan dari tanah dan bangunan (diatas tanag). Walaupun tanah tak berkohesi tersebut umumnya mempunyai daya dukung dengan kekuatan yang cukup
baik dalam kondisi renggang tetsebut mudah runtuh bilamana ada getran atau gempa. Jadi tidak baik mendirikanbangunan diatas tanah tak berkohesi yang renggang, kecuali dapat dipastikan pada daerahtersebut nantinya tidak akanada getaran yang berarti.
Pemadatan tanah untuk lapisan tanah renggang tak berkohesi yang cukup tebal juga menggunakan ledakan dam penumbukan berat. Yang dimaksud denagn cara vibrocompaction disini merupakan cara yang menggunakan alat penggetar yang dilakukan dengan cara memasukkan alat tersebut kedalam tanah yang renggang samapai pada kedalaman lapisan tanah terbawah yang ingin dipadatkan. Seringkali dengan adanya cara vibro ini diperlukan tambahanmaterialpengisi untuk tempat-tempat yang kosongakibat adanya pemadatan tanah arah sampaing. Termasuk dalam cara vibrocompaction ini merupkan penggunaan tiangtiang pancang untuk pemadatan.
Cara blasting ledakan) merupakan cara pemadatan dengan menggunakan bahan peledak, sedangkan heavy tamping merupakan pemadatan dengan menggunakan alat penumbuk super berat yang dijatuhkan dari suatu ketinggian ke permukaan tanah. Kedua jenis pemadatan ini menghaslkan gelombang getaran tekan dan geser yangcukup besar sehingga susunan partikeltanah semula) tuntuh dan membentuk susunan lebih rapat.
Cara vibrocompaction, balsting, dan heavy tamping pada prinsipnya sama, yaitu menghasilkan getaran yang dapat meruntuhkan struktur susunan partikel tanah sehingga partikel membentuk susunan yang lebih rapat dan lebih kokoh. Cara vibrocompaction menghasilkan energi yang jauh lebih kecil dari pada cara yang disebut terakhir. Getaran akibat vibrocompaction biasanya terasa hanya sejauh jarak satu atau dua meter dari sumbernya, sedangkan pada cara blasting dan heavy tamping, getaran dapat terpengaruh samapi + 10 meter dari sumbernya.
Cara vibrocompaction lebih efektif bila digunakan untuk memadatkan tanah dominan pasir bilamana jumlah fraksi tanah yang lolos ayakan no.200 (persen berat). Adanya frkasi lempung dan lanau lebih besar menyebabkan tanah sulit (berat). Adanya fraksi lempung dan lanau yang lebih besar menyebabkan tanah sulit (berat) untuk dipadatkan dengan cara vibrocompaction ini. Unutk kasus bilamana fraksi lanau dan lempung cukup tinggi sebaiknya digunakan cara blasting atau kasus heavy tamping.
Adapun cara-cara untuk mengukur hasil pemant dengan dan sesudah pemadatan, dapat dilakukan cara sebagai berikut:

1. Pengukuran dengan bantuan patok-patok settlement di permukaan.
2. Pengukuran dengan SPT (Standart Penetration Test, CPT), sebelum dan sesudah treatment.
3. Pengukuran jumlah volume bahan pengisi tambahan yang dimasukkan dalam tanah pada cara vibrocompaction menggunakan bahan pengisi.
4. Pengukuran kepadatan tanah cara gelombang geser seismic.
5. Cara pemancangan tiang dan mengukur resistance tiang tersebut pada kondisi sebelum dan sesudah treatment.
6. Pengukuran dengan plate loading test.
7. Pengukuran dengan cara alat density meter dalam lubang bor.

Perlu diketahui bahwa pemadatan dengan getaran ini memang menghasilkan perubahan kepadatan yang drastis secara berarti, tetapi perubahan kekuatan tanah tidak langsung terjadi. Diperlukan waktu yang cukup lama untuk tanah tersebut membangun strukturnya melebihi kekuatan tanah mula-mula.

Pemadatan Dengan Cara Vibrocompaction
Sebagaimana telah disebutkan di depan, pemadatan dengan cara vibrocompaction umumnya hanya efektif untuk tanah bergradasi pasir dan lebih kasar dari pasir.
Cara ini umumnya dilakukan dengan bantuan alat vibrocompaction yang dapat berupa tiang (pacang) berujung terbuka atu tertutup. Tiang tersebut dimasukkan ke dalam tanah dengan digetar. Pada sebagian cara ini, tanah dipadatkan dengn menusuk-nusukan tiang pancangyang bergeratr dalam tanah (tanpa tambahan material pengisi) dan sebagian lagi dengan menambah material pengisi (pasir atau kerikil).
Adapun pada prinsipny cara vibrocompaction ini dapat dibedakan menjadi beberapa cara berikut.
Sistem Tiang Bergetar (vibrating probe)
Sistem ini mula-mula dikembangkan di USA berupa bentuk tiang pancang tertentu (diameter 0,76 m) yang dipancang ke dalam tanah dengan bantuan alat faster Vibrodriver dan pile hummer (penumbuk getar). Bentuk tiang pancang pada umumnya adalah pipa baja berujung terbuka. Biasanya alat tersebut dioperasikan pada frekuensi getar 15 HZ dan amplitudo arah vertikal antara 10-25 mm. Bentuk lainnya ialah bentuk-bentuk vibro rod (batang getar) dikembangkan oleh Saito di Jepang. Pada bentuk vibro rod ini digunakan pipa baja berujung tertutup.
Pada prinsipnya kedua cara ini dioperasikan dengan memasukkan pipa bergetar (penggerakan pipa arah vertikal) ke dalam tanah sampai pipa mencapai kedalaman penetrasi yang diinginkan. Kemudian pipa ditarik ke atas sambil tetap digetarkan. Cara ini dilakukan berulang kali (tekan dengan digetar kemudian ditarik dengan getar) pada titik-titik berjarak 0,1 samapi 1,0 m diseluruh area yang dipadatkan samapi kepadatan tanah mencapai harga yang diinginkan.
Sistem Vibroflotation
Sisitem ini dikembangka mulanya di Jerman 50 tahun yang lalu. Alat vibroflotation pada umumnya terdiri dari 3 bagian utama yaitu alat vibrator, pipa memanjang (extension tube), dan mobil derek/crane pemikul.
Perbedaan sistem ini dengan sistem vibrating probe ialah bahwa pada vibroflotation pergetaran bekerja akibat perputaran pada proses alat vibrator yang tidak centris sehingga menghasilkan gaya sentrifugal pada arah horizontal dan menyibak tanah kesamping dan menghasilkan lubang pada tanah. Akibat getaran centrifugal dan berat sendiri dari vibrator, alat ini dapat dengan cepat untuk kedalam tanah. Penggetaran menyibak tanah kesamping itu juga dapat dilakukan dengan bantuan air yang dipompa ke alat vibratordengan tekanan (water jet). Pada saat penarikan ke atas, lubang yang ditimbulkan oleh sistem ini diisi dengan pasir atau kerikil, sambil tetap digetarkan unutk memadatkan bahan pengisi tersebut. Untuk detailnya, cara ini dapat dibaca pada Brown dan juga Bell.
Sistem Vibro Compozer
Sistem ini mula-mula dikembangkan di jepang oleh Murayama. Prinsipnya ialah sebuah pipa casingdipancangkan ke dalam tanah dengan digetar (melalui alat vibraor diujung atas pipa). Kemudian pasir dimasukkan kedalam pipa casing dengan bantuan tekanan udara. Pasir tersebut kemudian dipadatkan dengan cara menarik turunkan pipa casing (sambil dicabut) berkali-kalisehingga terbentuk tiang pasir padat dengan diameter yang lebih besar dari pada pipa casing tersebut. Selama pemadatan, tanah pasir pengisi tetap dalam keadaan mendapat tekanan udara.
Sistem Soil Vibrotory Stabilization
Sistem ini juga dikenal sebagai sistem Toyomenka (dikembangkan oleh PT Toyomenka di Jepang)nmerupakan kombinasi anatara vertikal vibration akibat vibratory drivin hummer (penumbuk getar arah vertikal) dan sistem krikil (pada waktu pencabutan alat ke atas), tetapi water jet tidak digunakan sama sekali.
Sistem vibrocompaction yang diuraikan diatas dapat memadatkan tanah sampai kedalaman 20 meter, tetapi umumnya sistem ini tidak banyak digunakan untuk kedalaman > 30 meter. Sistem vibroflotation, vibro comprezor dan SVS juga dapat digunakan pada tanah lempung yang lunak. Tetapi tujuannya terutama ialah untuk pemasangan sand coloum atau stone coloum pada tanah asli. Jadi yang dituju bukan perubahan kepadatan tanah asli tetapi instansi sand/stone coloum (kolom-kolom pasir dan krikil) tersebut. Bila kepadatan tanah asli ingin diubah dengan pengetaran, cara vibocompaction ini lebih relatif untuk tanah-tanah dominan pasir.

Pemadatan Cara Ledakan (Blasting)
Ini adalah cara yang ekonomis untuk pemadatan lapisan pasir renggang yang cukup tebal (dalam). Prosedur pemadatan pada umumnya adalah :

• Pembuatan/pemancang pipa dengan cara getar, jetting, auger boring atau lainnya. Kedalaman pipa sampai sedalam ledakan yang diinginkan.
• Pemasangan bahan peledak (dinamita0 dalam pipa tersebut.
• Pengurangan kembali pipa (backfilling of pipe).
• Peledakan bahan dinamit menurut pola ledak dan kekuatan ledak yang direncanakan.

Peledakan akan menghasilkan gelombang getar tekan dan geser yang akan meruntuhkan susunan partikel tanah asli dan membentuk susunan yang lebih padat. Menurut Ivanov, dan pengalaman didapatkan pedoman pemadatan dengan ledakan (samapi kedalaman 20 meter yang terpengaruh) sebagai berikut :

• Ukuran ledakan 1 Kg sampai 12 Kg per hulu ledak.
• Kedalaman pusat ledakan, pusat ledakan harus tertimbun pada kedalaman > ¼ kali kedalaman total (samapi kedasar lapisan tanah yang ingin dipadatkan) tetapi letak pusat ledakan pada kedalaman ½ samapai ¾ kali kedalaman total lebih umum dilakukan orang.
• Jarak pusat-pusat ledakan 4-15 meter.
• Jarak kali ulangan peledakan, 1 sampai 5 kali, dan umumnya 2-3 kali. Setiap ulangan terdiri dari beberapa ledakan beuntun dari masing-masing pusat ledak. Setiap ulangan biasanya berjarak beberapa jam sampai beberapa hari dari ledakan sebelumnya.
• Jumlah total bahan explosive yang digunakan 8-150 gr/cm3 tanah, biasanya sekitar 10-30 gr/cm3.
• Settlement permukaan tanah akibat pemadatan 2-10 % tebal lapisan yang dipadatkan.

Dengan cara ini jelas akan terlihat adanya pemadatan yang berarti dari tanah setempat, tetapi kekuatan tanah tidak segera membaik. Perlu waktu lama untuk tanah tersebut menguat kembali. Akan tetapi pada tanah dominan pasir, kekuatan tanah minimal biasanya sudah memenuhi syaratuntuk bangunan, hanya kepadatannya saja yang menjadi masalah bilamana ada getaran nantinya.
Pada tanah yang tidak terletak di bawah air, akan lebih mudah dipadatkan bila tanah tersebut lebih dahulu dijenuhkan dengan air kemudian baru diledakkan. Cara ini disebut hydro blasting. Jadi kedalaman tanah dipompakan air sampai lapisan tanah disitu samapi jenuh, baru kemudian sistem pemadatan cara blasting dilakukan.

Pemadatan Cara Heavy Tamping (Penumbuk Berat)
Cara ini dilakukan dengan menjatuhkan suatu massa yang sangat berat dari suatu ketinggian dengan bantuan derek atau crane ke atas permukaan tanah yang akan dipadatkan. Berat massa penumbukkan bervariasi dari yang terkecil 1-2 ton sampai 200 ton yang terbuat dari beton atau kotak baja yang berisi beton atau pasir. Tinggi jatuh bisa sampai 40 m dari muka tanah.

Metoda Dynamic Compaction (DC)

Secara garis besar, pengertian DC adalah suatu metoda peningkatan kondisi tanah yang dapat diterapkan pada tanah yang kering, basah/lembab dan jenuh (saturated). Metoda ini bisa juga diterapkan pada tanah jenuh dengan kandungan butiran halus mencapai hingga 30%. Target DC dicapai dengan menjatuhkan beban (pounder) dari suatu ketinggian tertentu ke atas permukaan tanah yang akan dipadatkan. Proses pemadatan ini berlangsung pada sekian banyak jatuhan pada lahan yang dituju.
Prinsip Dasar Peningkatan Tanah
Mengapa bisa terjadi pemadatan hanya dengan menjatuhkan beban? Pounder/beban yang dijatuhkan pada ketinggian yang sudah ditetapkan akan memberikan impact energy (energy benturan). Energi benturan ini menciptakan getaran dan mengatur ulang partikel-partikel tanah yang ada dan mendorong keluar gas dan air terkandung didalam partikel didalam tanah asal. Hal ini dapat meningkatkan kepadatan tanah lunak. Metoda DC ini selain dapat diterapkan pada kondisi tanah diatas, dapat juga secara terbatas, -berdasarkan hasil soil investigation tentunya-, pada kondisi tanah kepasiran, lapisan tanah berbatu lepas, atau tanah hasil pembuangan.
Perilaku tanah setelah diterapkannya metoda DC ini bisa berbeda secara signifikan tergantung kondisi tanah, seperti apakah tanah tersebut adalah tanah jenuh (saturated soil) ataupun tanah tidak jenuh (non saturated soil). Dalam halnya tanah tidak jenuh, efek benturan yang muncul adalah seperti halnya kita melakukan Proctor Compaction Test di laboratorium mekanika tanah. Sedangkan jika kondisi tanah jenuh, akan terjadi berbagai bentuk gelombang benturan yang berpusat pada pusat jatuhan beban. Gambar dibawah ini akan bisa memberikan gambaran tentang gelombang benturan yang dimaksud.

P wave atau gelombang tekan akan merombak struktur partikel tanah akibat Push-Pull Motion dan meningkatkan tekanan pori. Sedangkan S wave atau gelombang geser memainkan peran menyusun ulang kepadatan partikel meskipun kecepatan gelombang cukup pelan. Adapun Rayleigh wave adalah ringkasan dari gelombang geser dan gelombang permukaan yang tersebar dekat dengan permukaan tanah. Sehingga akibat adanya berbagai macam gelombang yang tercipta oleh karena beban benturan pounder, akan menghasilkan tekanan tarik dibawah tanah, berujung pada retak tarik dalam bentuk radial (seperti gambar diatas) pada pusat beban benturan. Retak tarik ini membuat jalur aliran yang berguna untuk mengeluarkan tekanan pori yang berlebihan dan membuang air pori dalam tanah jenuh. Hal inilah yang berujung pada peningkatan kapasitas daya dukung tanah.

Illustrasi diatas adalah perilaku partikel tanah secara mikroskopik selama pemadatan berlangsung dan setelahnya.

Bagaimana dengan penurunan permukaan tanah? Penurunan tanah tergantung dari pada jenis tanah dan energi jatuhan/pemadatan yang tercipta. Namun biasanya berkisar 3-8 % dari ketebalan tanah asal alami, sedangkan untuk reklamasi lahan buangan sekitar 20-30 %. Tekanan pori yang berlebih terjadi karena jatuhan beban bisa saja masih terjadi bahkan setelah proses jatuhan itu selesai. Namun tingkat disipasi (penghamburan/penghilangan) tekanan pori berlebih ini sangat singkat jika dibandingkan dengan metoda pemadatan statis seperti halnya metoda pre-loading.
Karateristik Metoda DC

1. Pekerjaan terapan yang cepat dengan tahapan sederhana, penghematan biaya dan sangat dimungkinkan pelaksanaannya dengan pekerjaan lain pada saat yang sama.
2. Meskipun tergantung dari jenis tanah, kelangsungan pekerjaan lain diatas tanah setelah peningkatan terjadi sangatlah diijinkan.
3. Dapat diterapkan pada berbagai jenis tanah termasuk jenis tanah hasil bongkaran/pembuangan, pasir tanah kepasiran (dredging soil), tanah halus, lumpur buangan maupun hasil pengeboran atau bentonit.
4. Kualitas kerja dapat dikontrol dan hasil yang baik.
5. Tidak bermasalah terhadap lapisan batuan dibawahnya.
6. Tidak memerlukan material khusus.

Metoda Dynamic Replacement (DR)/Stone Column (Kolom Batu)

Metoda DR ini adalah lanjutan dari metoda DC dan biasanya dilaksanakan pada tanah dengan kandungan lempung dan lapisan lanau sangat tebal serta diketahui dengan metoda DC tidaklah cukup untuk meningkatkan daya dukung tanah pada kondisi tanah tersebut seperti yang ditargetkan. Seperti kita ketahui, setelah pounder dijatuhkan berkali-kali akan terbentuk suatu kawah yang disebut crater. Dalam penerapan metoda DR, crater yang tercipta akan diisi dengan batuan/material non plastis (berdasarkan pengujian ASTM D 4318), atau batuan alam yang ada dilokasi tanah lunak. Crater akan terus diisi batuan dengan berulang kali melakukan jatuhan pounder (tamping) hingga kedalaman yang diinginkan ataupun berhenti ketika crater yang terbentuk sudah tidak bisa lagi melesak lebih dalam.
Prinsip Dasar DR
Secara prinsip, metoda pelaksanaan pada awal pekerjaan sama dengan metoda DC tetapi ada tahapan kerja yang berkelanjutan yaitu pengisian material kasar kedalam crater yang terbentuk akibat tamping. Material yang diisikan terus menerus akan membentuk pola seperti kolom batu, maka dari itulah metoda DR ini dapat pula disebutkan metoda kolom batu. Pada saat batuan kedalam crater ataupun granular soil (seperti gravel ukuran tertentu misalnya), area tekanan pada tanah lunak didistribusikan ke kolom batu (stone column/pillar). Sehingga tanah lunak memadat dan menghasilkan daya dukung yang ditargetkan. Penerapan DR ini berdasarkan data tanah (hasil dari soil investigation report) yang dilanjutkan pada tahapan experiment lapangan (seperti halnya uji trial and error) serta dilakukan dengan interval tertentu.
Karateristik Metoda DR

1. Sementara kolom DR terbentuk dengan mengisikan material non plastis (batuan pecah, gravel), terjadi kontraksi dilapisan tanah lunak sekeliling kolom DR. Yang menyebabkan tekanan pori berlebih terlepas terus menerus. Proses ini pada dasarnya sama dengan dengan teknik konsolidasi tanah dengan metode pre-loading, hanya saja konsolidasi tersebut terjadi lebih cepat sekaligus menaikkan daya dukung tanah.
2. Tahanan geser lebih besar terjadi didalam kolom DR dan kekuatan tanah diantara kolom DR meningkat secara signifikan.
3. Pada saat kolom DR terbentuk didalam tanah setelah proses dilakukan, komposisi kandungan tanah akan berubah. Pengertiannya yaitu lapisan tanah terdiri dari batuan dan tanah asal yang mana partikel awal menjadi tersusun ulang. Dalam hal ini tekanan tanah sebagian besar diakomodasi oleh kolom DR sedangkan tanah asal hanya menderita tekanan lebih kecil.

Ilustrasi Metode DR

Pelaksanaan DR dilapangan

Crane lengkap dengan pounder (beban)

Bersambung....(selanjutnya baca Cara Perbaikan Daya Dukung Tanah Part 2)