tegangan geser

Program Studi Teknik SipilFakultas Teknik Sipil dan PerencanaanUniversitas Mercu Buana 7

MODUL 7 (MEKANIKA TANAH II)

Tegangan Geser Tanah

1. Pendahuluan

Banyak masalah perencanaan dalam mekanika tanah yang dapat digolongkan sebagai

masalah deformasi. Namun hal ini memerlukan pemahaman terinci terhadap sifat tekanan

— regangan — waktu ( stress strain - time ) tanah yang sangat kompleks. Bagi masalah

penting tertentu, tanah dianggap sebagai bahan elastis atau elastice plastis dan

penyelesaiannya dilakukan dengan analisis elemen hingga (finite elementary) memakai

komputer.

Untuk sebagian besar perencanaan perlu dipakai bentuk analisa batas. Hal ini

berdasarkan kenyataan bahwa terdapat rnekanisme tertentu yang bekerja dalam

kelongsoran struktur tanah yang berbeda-beda. Penyederhanaan mekanisasi ini

diperlihatkan dalarn kasus-kasus berikut.

Problem dianalisa dengan mengasumsikan pada kondisi keseimbangan batas, dengan

tanah berada dalam keadaan longsor sepanjang permukaan lingkaran longsor, berarti

kekuatan geser bekerja sepenuhnya. Bila keadaan ini dapat didekati, deformasi akan

menjadi tak terhingga besarnya sehingga deformasi dijaga pada suatu nilai yang dapat

diterima dengan mencantumkan nilai faktor keamanan pada kondisi longsor. Berdasarkan

pengalaman diketahui berapa faktor keamanan yang sesuai dengan permasalahan

perencanaan tanah yang umum. Sebagai contoh, dalam stabilitas lereng, deformasi

Pusat Pengembangan Bahan Ajar - UMB DESIANA VIDAYANTIMEKANIKA TANAH 2

umumnya tidak kritis dan dapat digunakan faktor keamanan yang rendah (yakni FS = 1,5).

Untuk fondasi, deformasi lebih kritis sehingga umumnya digunakan FS = 3.

Penggunaan analisa-batas (limit analysis) yang sederhana, memakai nilai faktor kuat geser

tanah, mendominasi perencanaan dan merupakan alasan mengapa teori kuat geser dan

pengukuran parameter kuat geser menjadi dominan dalam mekanika tanah dan pengujian

tanah.

Pengetahuan tentang kekuatan geser diperlukan untuk menyelesaikan masalah-masalah

yang berhubungan dengan stabilitas massa tanah. Bila suatu titik pada sembarang bidang

dari suatu massa tanah memiliki tegangan geser yang sama dengan kekuatan gesemya,

maka keruntuhan akan terjadi pada titik tersebut. Kekuatan geser tanah (Tr) di suatu titik

pada suatu bidang tertentu dikemukakan oleh Coulomb sebagai suatu fungsi linier

terhadap tegangan normal (σf) pada bidang tersebut pada titik yang sama, sebagai berikut

. (1)

dimana c dan φ adalah parameter-parameter geser,, yang berturut-turut didefinisikan

sebagai kohesi (cohesion intercept atau apparent cohesion) dan sudut tahanan geser

(angle of shearing resistance)

Berdasarkan konsep Terzaghi, tegangan geser pada suatu tanah hanya dapat ditahan

oleh tegangan partikel-partikel padatnya. Kekuatan geser tanah dapat juga dinyatakan

sebagai fungsi dari tegangan efektif sebagai berikut :

(2)

dimana c' dan φ ' adalah parameter-paramter kekuatan geser pada tcgangan efektif

Dengan demikian kcruntuhan akan tejadi pada titik yang mengalami keadaan kritis yang

disebabkan oleh kombinasi antara tegangan geser dan tegangan normal efektif

2. Pengujian Kekuatan Geser

Parameter-parameter kekuatan geser untuk suatu tanah tertentu dapat ditentukan dari

hasil-hasil pengujian laboratorium pada contoh-contoh tanah lapangan (in-situ soil) yang

mewakili. Diperlukan ketelitian dan perhatian yang besar terhadap proses pengambilan

contoh, penyimpanan contoh, dan perawatan contoh sebelum pengujian, terutama untuk

contoh tidak terganggu (undisturbed), dimana struktut tanah di lapangan dan kadar airnya


harus dipertahankan. Untuk tanah lempung, benda uji didapatkan dari tabung-tabung

contoh atau kotak-kotak contoh.

Dalam laboratorium kuat geser dapat diperoleh dari tes

- Tes Geser langsung

- Tes Kuat tekan-bebas (Unconfined Compression Tes)

- Tes Triaksial

Untuk menentukan tipe tes yang digunakan, dapat dipertimbangkan hal-hal berikut:

Pasir Bersih dan Kerikil

Contoh tak-terganggu tak mungkin diperoleh, untuk kebanyakan masalah pondasi sudut

geser dalam φ dapat didekati dari korelasinya dengan tahanan penetrasi, kepadatan

relatif dan dari klasifikasi tanah.

Hasil yang lebih akurat dapat diperoleh dari Tes Geser langsung, rentang nilai φ dapat

diperoleh dari Tes geser langsung dari contoh dalam keadaan paling lepas dan paling

padat.

Lempung

Untuk kebanyakan masalah pondasi, Tes Kuat Tekan Bebas pada contoh tak-terganggu

merupakan cara praktis untuk menentukan kuat geser lempung. Nilai kohesi (c) dapat

diambil 1/2 dari kuat tekan beban (qu), dan-sudut geser dalam dapat dianggap nol.

Korelasi qu dengan tahanan penetrasi dapat digunakan.

Tes Kipas Geser (Vane) dapat dilakukan terhadap tanah lempuing sangat lunak dan sulit

diambil contoh tak terganggu.

Lanau dan Tanah Campuran

Untuk tanah jenis ini sukar untuk menformulasikan jenis tes yang dipakai, pendekatan

yang konservatif dapat diperoleh dari Tes Kuat Tekan Bebas..Jika kohesi dominan sekali

maka sudut geser dalam dapat diabaikan. Jika kuat tekan bebas kecil sekali, tanah dapat

diperlakukan sebagai tanah granular (non kohesif dan sudut geser dapat diperoleh dari

Tes geser langsung.


Jika sulit untuk menentukan faktor mana yang dominan antara c dan φ dapat digunakan

tes Triaksial untuk Jika sulit untuk menentukan faktor mana yang dominan antara c dan φ

dapat digunakan tes Triaksial

2.1. Uji Triaksial

Pengujian ini merupakan pengujian kekuatan geser yang sering digunakan dan cocok

untuk semua jenis tanah. Keuntungannya adalah bahwa kondisi pengaliran dapat

dikontrol, tekanan air pori dapat diukur dan, bila diperlukan, tanah jenuh dengan

permeabilitas rendah dapat dibuat terkonsolidasi. Dalam pengujian ini digunakan sebuah

contoh berbentuk silinder dengan perbandingan panjang terhadap diameter sebanyak 2.

Contoh tersebut dibebani secara simetri aksial seperti diperlihatkan pada gambar 11.1. Uji

ini menggunakan sebuah perangkat alat uji seperti diperlihatkan pada gambar 11.2,

dengan beberapa bagian terpenting. Dasar alat yang berbentuk lingkaran memiliki sebuah

alas untuk meletakkan contoh tanah. Alas tersebut memiliki sebuali lubang masuk yang

digunakan untuk pengaliran air atau untuk pengukuran tekanan air pori. Ada juga alas

yang memiliki dua buah lubang masuk, sebuah untuk pengaliran air dan sebuah lainnya

untuk pengukuran tekanan air pori.

Gambar 1. Sistem tegangan pada uji triaksial


Contoh ditempatkan di piringan atau piringan logam di atas alat percobaan. Kemudian di

atas contoh tersebut dibungkus dengan sebuah selubung karet. Setelah itu digunakan

cincin O yang diberi suatu gaya tarik untuk menutup selubung karet tersebut pada sisi alas

dan sisi atasnya. Bila contoh yang digunakan adalah pasir maka contoh tanah tersebut

harus dibungkus dengan selubung karet dan ditempatkan dalam sebuah tabung yang

dirapatkan disekeliling alas. Sebelum tekanan sel (all-round pressure diberikan sewaktu

tabung tersebut akan dipasang, digunakan sebuah tekanan negatif kecil untuk

mempertahankan stabilitas contoh. Sebuah saluran pengaliran juga harus dibuat dari

penutup beban sampai permukaan atas contoh, sebuah tabung plastik yang fleksibel

ditembuskan dari penutup beban dan bagian akhir batang beban memiliki kedudukan yang

kuat, beban dialirkan melalui sebuah bola baja. Contoh tanah diberi tekanan cairan

menyeluruh pada intinya, sehingga bila mungkin diperbolehkan adanya konsolidasi.

Kemudian secara perlahan-lahan terjadi kenaikan tegangan aksial dengan menggunakan

beban tekan melalui batang sampai terjadi keruntuhan pada contoh, biasanya pada bidang

diagonal. Sistem yang menggunakan tekanan menyeluruh tersebut harus dapat

mengatasi perubahan tekanan akibat kebocoran inti atau perubahan volume contoh.

Tekanan sel disebut tegangan utama kecil, sedangkan jumlah tekanan sel dan tegangan

aksial yang digunakan disebut tegangan utama besar, berdasarkan bahwa tidak ada

tegangan geser pada permukaan contoh. Sehingga tegangan aksial yang (digunakan

tersebut dinamakan selisih tegangan utama. Tegangan utama menengah (intermediate

principal stress) diambil sama besar dengan tegangan utama kecil. Kondisi-kondisi

tegangan tersebut dapat disajikan dalam bentuk lingkaran Mohr atau titik tegangan pada

setiap pengujian dan khususnya pada keadaan runtuh. Bila beberapa contoh diuji,

masing-masing dengan harga tekanan sel yang berbeda-beda, maka akan dapat

digambarkan sebuah garis selubung keruntuhan dan parameter-parameter kekuatan geser

tanah tersebut dapat ditentukan.

Pengukuran tekanan air pori. Tekanan air pori dari contoh tanah pada uji triaksial dapat

diukur, dengan demikian memungkinkan hasil-hasil pengujian tersebut disajikan dalam

tegangan efektif Tekanan air pori harus dihitung dalam keadaan tanpa pengaliran (no

flow), baik pengaliran ke luar maupun ke dalam contoh. Jika tidak, baru dilakukan koreksi

terhadap harga tekanan tersebut. Ujung contoh pada saat pengaliran terjadi pada ujung


lainnya. Keadaan tanpa pengaliran dipertahankan dengan menggunakan alat yang

disebut indikator botol, yang pada dasamya terdiri dari tabung - U yang sebagian diisi

merkuri.

Kasus yang kbusus pada uji triaksial ini adalah uji tekan tak terkekang (Unconfined

Compreession Test) yang menggunakan tegangan aksial untuk contoh dengan tekanan

sel nol (tekanan atmosfer). Pada pengujian ini tidak diperlukan adanya selubung karet.

Meskipun demikian, pengujian ini hanya digunakan untuk lempung jenuh sempurna yang

utuh.

Gambar 2 Alat Triaksial

Jenis-jenis pengujian. Terdapat berbagai macam kemungkinan prosedur pengujian

dengan alat triaksial, tetapi hanya ada tiga jenis pengujian yang pokok, yaitu :

1. Tak terkonsolidasi - tak terdrainasi (Unconsolidated - undrained). Contoh tanah

mengalami tekanan se tertentu, kemudian digunakan selisih tegangan utama

secara tiba- tiba tanpa pengaliran pada setiap taliap pengujian. (Prosedur untuk uji


triaksial tak terkonsolidasi - tak terdrainasi tersebut telah distandarisasikan pada

BS [13771. Rincian prosedur untuk uji tekanan tak - terkekang yang

menggunakan sebuah peralatan portabel juga diberikan pada BS [1377].

2. Terkonsolidasi - tak terdrainasi (Consolidated - Undrained). Pengaliran pada

contoh tanah diperbolehkan di bawah tekanan sel tertentu sampai konsolidasi

selesai. Kemudian digunakan selisih tegangan utama tanpa pengaliran.

Pengukuran tekanan air pori dilakukan selama keadaan tanpa pengaliran.

3. Terdrainasi (Drained). Pengaliran pada contoh tanah diperbolehkan di bawah

tekanan tertentu sampai konsolidasi selesai. Kemudian, dengan pengaliran

yang masih diperbolehkan, digunakan selisih tegangan utama dengan

kecepatan sedang untuk membuat kelebiban tekanan air pori tetap nol.

Parameter-parameter kekuatan geser ditentukan oleh hasil dari pengujian di atas yang

hanya relevan bila kondisi pengaliran di lapangan sesuai dengan kondisi pada pengujian.

Kekuatan geser tanah pada keadaan tak terdrainasi (tanpa pengaliran) berbeda dengan

pada keadaan dengan pengaliran. Di bawah kondisi tertentu, kekuatan geser dalam

keadaan tanpa pengaliran dinyatakan dalam tegangan total, dengan parameter-parameter

kekuatan gesemya dinotasikan sebagai cu dan φu . Kekuatan geser dalam keadaan

terdrainasi (dengan pengaliran) dinyatakan dalam parameter-paramcter tegangan efektif c'

dan φ’

Pertimbangan terpenting dalam praktek adalah tentang kecepatan perubahan tegangan

total (akibat adanya pckerjaan konstruksi) yang digunakan yang berhubungan dengan

hilangnya kelebihan air pori, dimana hal ini berkaitan dengan permeabilitas tanah tersebut.

Keadaan tak-terdrainasi digunakan bila tidak ada kehilangan yang berarti selama saat

perubahan tegangan total. Hal ini biasanya terjadi pada tanah yang permeabilitasnya

rendah seperti lempung, dan tedadi segera sesudah konstruksi selesai dibangun.

Keadaan terdrainasi digunakan pada saat kelebihan tekanan air pori nol; hal ini terjadi

pada tanah dengan permeabilitas rendah setelah terkonsolidasi selesai dan akan mewakili

situasi dalam jangka panjang, yang dapat bertahun-tahun sesudali konstruksi selesai.

Keadaan terdrainasi -juga relevan bila kecepatan kehilangan dibuat sama dengan


kecepatan perubahan tegangan total; hal ini terjadi pada tanah dengan permeabilitas tinggi

seperti pasir. Oleh karena itu, keadaan terdrainasi juga relevan untuk pasir, baik pada saat

segera sesudah konstruksi selesai maupun untuk jangka panjang. Bila terjadi perubahan

tegangan total secara tiba-tiba (misalnya bila terjadi ledakan atau gempa), maka keadaan

yang relevan untuk pasir adalah keadaan terdrainasi. Dalam beberapa situasi, keadaan

terdrainasi sebagian digunakan pada akhir konstruksi, kemungkinan disebabkan lamanya

masa konstruksi atau tanah yang diuji memiliki permeabilitas sedang. Dalam hal ini,

kelebihan tekanan air pori harus diperkirakan lebih dahulu, kemudian kekuatan geser

tanah dihitung dalam tegangan efektif, dengan menggunakan parameter-parameter c' dan

φ’.

Kriteria Keruntuhan Mohr-Coulomb

Kekuatan geser dapat dinyatakan dalam tegangan utama besar σ’1 dan σ’3 dan pada

kekuatan runtuh di titik yang ditinjau. Garis yang dihasilkan oleh persamaan 2. Pada

keadaan runtuh merupakan garis singgung terhadap lingkaran Mohr yang menunjukkan

keadaan tegangan dengan nilai positif untuk tegangan tekan, seperti diperlihatkan pada

gambar 4. Koordinat titik singgungnya adalah τf dan σ'f , dimana :

(3)

(4)

dan θ adalah sudut teoritis antara bidang utama besar dan bidang runtuh. Dengan

demikian jelas bahwa :

(5)

Dari gambar 4 dapat dilihat juga hubungan antara tegangan utama efektif pada keadaan

runtuh dan parameter-parameter kekuatan geser. Kini :


sehingga

(6a)

atau :

(6b)

Persamaan 6 disebut sebagai kriteria keruntuhan Mohr-Coulomb. Kriteria tersebut

berasumsi bahwa bila sejumlah keadaan tegangan diketahui, di mana masing-masing

menghasilkan keruntuhan geser pada tanah, sebuah garis singgung akan dapat

digambarkan pada lingkaran Mohr garis singgung tersebut dinamakan selubung

keruntuhan (failure evenlope) tanah. Keadaan tegangan tidak mungkin berada di atas

selubung keruntuhannya.

Gambar 4.Kondisi tegangan pada keadaan runtuh

Dengan memplot terhadap , maka setiap kondisi tegangan

dapat dinyatakan suatu titik tegangan (stress point), yang lebih baik daripada lingkaran

Mohr, seperti diperlihatkan pada gambar 13.5. Setelah itu dapat dibuat selubung

keruntuhan yang dimodifikasi, yang dinyatakan dengan persamaan :


(7)

di mana a’ dan α’ adalah parameter-parameter kekuatan geser yang dimodifikasi.

Kemudian parameter-parameter c’ dan φ’ didapat dari :

(8)

(9)

Gambar 5. Alternatif yang menggambarkan kondisi tegangan

Garis-garis yang digambar dari titik tegangan pada sudut 45o terhadap horisontal, seperti

pada gambar 5, berpotongan dengan sumbu horisontal di titik-titik yang menyatakan nilai –

nilai tegangan utama . gambar 13.5 juga dapat digambarkan dalam kondisi tegangan total,

dengan koordinat-koordinat vertikal dan horisontal berturut-turut

terhadap .

Perlu diperhatikan bahwa

= .

= .


tegangan geser

Documents