Bab
3 - Pengaruh Rembesan Terhadap
Tekanan Efektif dan Tekanan Pori Tanah
3.1. Pengaruh Rembesan Terhadap Tekanan Efektif
Tanah
Tekanan efektif tanah adalah
tekanan yang bekerja pada butir-butir tanah. Sedangkan tekanan yang bekerja
pada air yang ada di dalam pori tanah disebut dengan tekanan pori. Jika suatu
tanah menerima tekanan dari luar, maka tekanan tersebut akan diterima oleh
butir-butir tanah dan air yang ada di dalam pori tanah. Dengan demikian tekanan
total dalam tanah merupakan penjumlahan antara tekanan efektif dan tekanan pori
(Holtz and Kovacs, 1981). Jumlah tekanan total ini tetap selalu sama dengan
tekanan dari luar yang bekerja pada tanah. Jika ada penambahan tekanan dari
luar, kemungkinan air dalam tanah akan keluar sehingga tekanan porinya
berkurang. Pengurangan tekanan pori ini akan mengakibatkan bertambahnya tekanan
efektif tanah sebesar pengurangan tekanan pori tersebut.
Pada turap seperti Gambar 2.3, air merembes
dari muka air yang tinggi ke muka air yang rendah dengan tinggi tenaga rembesan
sebesar perbedaan elevasi antara ke dua permukaan air tersebut. Pada sisi yang
arah rembesannya ke bawah, maka tekanan rembesan arahnya juga ke bawah sehingga
akan menambah besarnya tekanan efektif tanah. Akan tetapi sebaliknya pada sisi
yang arah rembesannya ke atas, maka tekanan rembesan arahnya juga ke atas
sehingga akan mengurangi besarnya tekanan efektif tanah.
Tekanan rembesan terbesar akan
diderita oleh permukaan tanah yang pertama kali menerima rembesan, dan
berangsur-angsur berkurang sehingga pada permukaan tanah yang merupakan akhir
dari rembesan, tekanan rembesannya akan sama dengan nol. Jika terdapat gambar
jaringan aliran, besarnya pengurangan tinggi tekanan rembesan adalah sama
dengan jumlah penurunan potensial ( jumlah Dh) rembesan. Dengan demikian tinggi
tekanan rembesan pada suatu tempat besarnya akan sama dengan sisa dari Dh yang masih ada dengan arah tekanan tegak
lurus terhadap bidang tekan, karena sifat tekanan air akan selalu tegak lurus
terhadap bidang tekan.
Contoh 3.1
Suatu dinding turap menahan air dengan
jaringan aliran seperti Gambar 3.1. Jika berat isi jenuh tanah adalah 20 kN/m3
dan berat isi air 9,8 kN/m3, hitung tekanan vertikal efektif pada
titik A dan B !
Penyelesaian :
Air akan merembes dari permukaan yang tinggi ke
permukaan yang rendah. Pada titik A rembesan arahnya ke
bawah sehingga tekanan rembesan akan menambah besarnya tekanan efektif pada
titik A tersebut. Sedangkan
pada titik B arah rembesan ke atas, sehingga tekanan rembesan akan mengurangi
tekanan efektif nya. Tinggi total tekanan rembesan adalah sebesar 8 m dengan
jumlah selisih potensial ( Dh ) sebanyak 12, sehingga Dh =
m
Pada titik A :
Tekanan efektif semula = zA.(gsat-.gw )= (11)(20-9,8 ) = 112,2 kN/m2
Dipandang prisma tanah DA.
Tekanan rembesan merupakan tekanan air yang
arahnya selalu tegak lurus dengan bidang tekan, sehingga :
Tinggi tekanan rembesan pada titik D = 12 Dh dengan arah ke bawah.
Tinggi tekanan rembesan pada titik A = 8,2 Dh dengan arah ke atas.
Sehingga resultante tinggi tekanan rembesan di A =
12 Dh – 8,2 Dh = 3,8 Dh = (3,8)(
)= 2,5 m
dengan arah ke bawah.
Tekanan rembesan di A = hA
x gw = 2,5 x 9,8 = 24,5 kN/m2 (
)
( )Tekanan vertikal efektif di A = 112,2 +
24,5 = 136,7 kN/m2 ( )
Pada titik B :
Tekanan efektif semula = zB.(gsat-.gw )= (6)(20-9,8 ) = 61,2 kN/m2 ( )
Tinggi tekanan rembesan pada titik B = 2,4 Dh dengan arah ke atas
Tinggi tekanan rembesan pada titik C = 0
Sehingga resultante tinggi
tekanan rembesan di B = 2,4 Dh = (2,4)(
)=1,6 m
dengan arah ke atas.
Tekanan rembesan di B = hB x gw = 1,6 x 9,8 = 15,7 kN/m2 ( )
Tekanan vertikal efektif di
B = 61,2 - 15,7 = 45,5 kN/m2 ( )
3.2. Kondisi Apung (Quick Condition)
Kondisi apung dapat terjadi
pada suatu tanah yang menerima rembesan dengan arah ke atas. Kondisi apung
terjadi jika besar tekanan rembesan sama dengan tekanan efektif tanah.
Dipandang suatu kubus tanah (Gambar 3.2) dengan sisi b yang dilewati rembesan
air dengan arah ke atas dengan h1
adalah tinggi tekanan rembesan pada sisi bawah dan h2 tinggi tekanan
rembesan pada sisi atas.
Gaya rembesan pada sisi bawah,
P1 = h1.gw.b2
Gaya rembesan pada sisi atas, P2 = h2.gw.b2
Selisih gaya yang bekerja pada kubus tanah, P = (h1-
h2)gw.b2 = Dh.gw.b2.
Tekanan rembesan atau gaya rembesan per satuan
luas yang bekerja pada kubus tanah, p =
= Dh.gw
Gaya rembesan, P = Dh.gw.b2 =
= i.gw.b3
Gaya rembesan per satuan volume tanah, D = i.gw
Pada turap seperti pada Gambar 3.1, di daerah yang
mengalami rembesan ke atas tekanan efektif tanah per satuan volume tanah, peff
= g’-
D. Sebaliknya pada daerah yang mengalami rembesan ke bawah tekanan efektif
tanah per satuan volume menjadi, peff = g’+ D. Jika pada daerah
dengan rembesan ke atas, suatu saat tekanan rembesannya sama dengan berat
tanah, maka tekanan efektifnya akan sama dengan nol atau seakan akan butir
butir tanah tidak mempunyai berat lagi.
Tanah dengan kondisi seperti ini, tanah disebut dalam kondisi apung (quick condition). Pada kondisi apung peff = g’- D = 0, sehingga g’= D = i.gw. Gradien hidrolik pada kondisi ini disebut gradien hidrolik kritis.
ikritis =
(3.1)
Pada sebagian besar tanah, besarnya gradien hidrolik kritis ini
diperkirakan sama dengan 1,0. Jika gradien hidrolik suatu tanah melebihi
gradien hidrolik kritis, maka kemungkinan butir-butir tanah akan terdorong
aliran rembesan sehingga akan terjadi pipa aliran dalam tanah (piping).
Jika peristiwa piping
ini terjadi pada sisi turap, maka turap tersebut dapat roboh karena tidak ada
lagi tanah yang menahannya. Menurut Terzaghi keruntuhan mungkin akan terjadi
pada masa tanah berukuran d x d/2 pada
sisi yang mengalami tekanan rembesan ke atas
(Gambar 3.3) dengan d adalah ke dalaman tanah sampai dasar turap pada sisi
tanah yang mengalami rembesan ke atas. Keruntuhan mula-mula ditunjukkan dengan
naiknya atau terangkatnya permukaan tanah disertai dengan meningkatnya
permeabilitas tanah yang menyebabkan membesarnya aliran dan terbentuknya pipa
aliran dalam tanah.
`Tinggi tekanan rembesan pada batas bawah CD dari masa
tanah dapat diperoleh dari garis ekipotensial jaringan aliran, sedangkan pada
batas atas AB tinggi tekanan rembesan sama dengan nol. Gradien hidrolik rata-rata adalah : im =
, dengan hm
adalah tinggi tekanan rembesan rata-rata pada bidang CD. Karena keruntuhan
akibat pengangkatan diperkirakan terjadi pada gradien hidrolik kritis (ikritis),
sehingga faktor keamanan (F) akibat pengangkatan adalah :
F =
(3.2)
Faktor keamanan pada rembesan
ke atas di sekitar dinding turap juga dapat diperhitungkan terhadap kemampuan
berat tanah menahan gaya rembesan ke atas. Berat efektif masa tanah ABCD =
, dengan g’ adalah berat isi tanah terendam. Tekanan rembesan pada tanah ABCD = hmgw, sehingga gaya rembesan pada masa tanah ABCD =
. hm
merupakan rata-rata tekanan rembesan di D dan di C. Faktor keamanan (F)
terhadap pengangkatan atau bahaya piping menjadi :
F =
(3.3)
Turap akan cukup aman dari bahaya pengangkatan
jika faktor keamanan (F) lebih besar dari 1,5. Bila faktor keamanan terhadap
pengangkatan kurang memadai, panjang turap yang tertanam dalam tanah (d) dapat
dperpanjang atau di atas permukaan AB diletakkan beban tambahan berupa tanah
filter (Gambar 3.4) yang dapat menahan butiran-butiran tanah yang terkena
rembesan ke atas. Bila berat filter per satuan luas adalah w’, maka faktor
keamanannya menjadi :
F =
(3.4)
Contoh 3.2.
Turap dengan jaringan aliran seperti Gambar 3.1,
tentukan faktor keamanan terhadap keruntuhan akibat pengangkatan disekitar sisi
hilir turap. Berat isi jenuh tanah adalah 20 kN/m3 dan berat isi air
9,8 kN/m3.
Penyelesaian :
Ditinjau tanah seluas EFGH pada Gambar 3.1 dengan
luas potongan 6 m x 3 m.
Selisih tinggi tekanan antara 2 garis ekipotensial
yang berturutan, Dh =
Nilai tinggi tekanan rembesan rata-rata pada
dasar GH adalah, hm = 4,2Dh =4,2x
= 2,33 m
Faktor keamanan, F =
>1,5, berarti
turap aman terhadap keruntuhan akibat pengangkatan
(heaving) atau bahaya piping.
3.3. Pengaruh Rembesan Terhadap Tekanan Hidrostatis
Pada konstruksi bendung
sungai, bagian dasarnya akan menerima tekanan angkat yang diakibatkan oleh
tekanan air. Hal ini terjadi karena sifat tekanan air akan selalu tegak lurus
terhadap bidang tekannya. Tekanan angkat akibat air ini berasal dari tekanan
hidrostatis dan tekanan rembesan. Besarnya tekanan hidrostatis akan tergantung
dari kedalaman air (z) pada tempat yang akan dihitung tekanannya dapat dihitung
dengan rumus :
ps = z.gw
(3.5)
Sedangkan tekanan
rembesan akan tergantung dari besarnya tinggi tekanan rembesan (h) yang
dapat dilihat pada garis ekipotensial yang ada pada gambar jaringan aliran. Tekanan
rembesan merupakan akibat dari adanya perbedaan antara muka air bagian hulu dan
bagian hilir. Selanjutnya tekanan rembesan dapat dihitung dengan rumus :
ph = h.gw
(3.6)
Sehingga tekanan angkat total (pu) yang
diderita oleh dasar bendung akan merupakan penjumlahan dari tekanan hidrostatis
dan tekanan rembesan.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar