Tegangan efektif tanah

Tanah yang mengalami tekanan mengakibatkan angka pori berkurang dan merubah sifat-sifat mekanik tanah yang lain, seperti menambah tahanan geser.Tanah yang berada dalam air akan dipengaruhi oleh gaya hidrostatis. Berat tanah yang terendam disebut berat tanah efektif, dan tegangan yang terjadi disebut tegangan efektif. Tegangan efektif merupakan tegangan yang mempengaruhi kuat geser dan perubahan volume atau penurunan tanah. Penurunan muka air tanah akan menyebabkan kenaikan tegangan efektif pada tanah, dan apabila besamya tegangan efektif melampaui tegangan yang diterima tanah sebelumnya maka tanah akan mengalami konsolidasi dan kompaksi yang mengakibatkan amblesan tanah pada daerah konsolidasi normal.

Tanah yang mengalami tekanan mengakibatkan angka pori berkurang dan merubah sifat-sifat mekanik tanah yang lain, seperti menambah tahanan geser.Tanah yang berada dalam air akan dipengaruhi oleh gaya hidrostatis. Berat tanah yang terendam disebut berat tanah efektif, dan tegangan yang terjadi disebut tegangan efektif. Tegangan efektif merupakan tegangan yang mempengaruhi kuat geser dan perubahan volume atau penurunan tanah. Penurunan muka air tanah akan menyebabkan kenaikan tegangan efektif pada tanah, dan apabila besamya tegangan efektif melampaui tegangan yang diterima tanah sebelumnya maka tanah akan mengalami konsolidasi dan kompaksi yang mengakibatkan amblesan tanah pada daerah konsolidasi normal.

Kekuatan geser suatu masa tanah merupakan perlawanan internal tanah tersebut per satuan luas terhadap keruntuhan atau pergeseran sepanjang bidang geser dalam tanah tersebut. Pengetahuan tentang kekuatan geser tanah dan sifat-sifat fisik tanah lainnya akan sangat membantu dalam merencanakan suatu konstruksi yang sesuai dengan kondisi tanahnya, aman, dan ekonomis.

Tegangan geser hanya dapat ditahan oleh butiran-butiran tanah, yaitu oleh gaya-gaya yang berkembang pada bidang singgung antar butiran.  Tegangan normal yang bekerja, ditahan oleh tanah melalui penambahan gaya antar butirannya. Jika tanah dalam keadaan jenuh sempurna, air yang mengisi ruang pori dapat juga menahan tegangan normal, dengan akibatnya akan terjadi kenaikan tekanan air pori. Pada tanah granuler, seperti tanah pasir dan kerikil, secara fisik tegangan efektif kadang-kadang disebut tegangan intergranuler. Luas bidang kontak antar butiran sangat kecil, dimana untuk butiran bulat kontak antar butirnya berupa sebuah titik.

Prinsip tegangan efektif menurut Terzaghi hanya berlaku pada tanah yang jenuh sempurna, yaitu :

1.      Tegangan normal total (σ) pada suatu bidang di dalam massa tanah, yaitu tegangan akibat berat tanah total termasuk air dalam ruang pori, per satuan luas yang arahnya tegak lurus.

2.      Tekanan pori (u), disebut juga dengan tekanan netral yang bekerja kesegala arah sama besar, yaitu tekanan air yang mengisi rongga di dalam butiran padat.

3.      Tegangan normal efektif (σ’) pada suatu bidang di dalam massa tanah ,yaitu tegangan yang dihasilkan dari beban berat butiran tanah per satuan luas bidangnya.

Tegangan yang bekerja pada tanah dapat dibagi menjadi:

• Tegangan Total (de: Totale Spannung) → σ [kN/m²]
• Tegangan Efektif (de: effektive- / wirksame Spannung) → σ’ [kN/m²]
• Tegangan Netral / Tekanan Air (de: Neutrale Spannung / Wasserdruck, eng: water pressure) → u [kN/m²]

Hubungan dari ketiganya adalah :

     

      σ =  σ’+ u                                                                              

• σ= γ.h , dan
• u = γ_w.h 

dimana:

• γ = Berat Jenis tanah [kN/m³]
• γ_w = Berat Jenis air [kN/m³]
• h = tebal lapisan [m] 

sehingga:

·         σ’=σ-u

·         σ’= (γ.h) - (γ_w.h)

·         σ’= (γ_r-γ_w).h 

·         dimana γ_r adalah Berat Jenis Tanah Jenuh (eng: saturated, de: wassergesätigt)

Tegangan normal efektif atau tegangan vertical efektif diartikan sebagai jumlah komponen arah normal (P’) di dalam luasan A, di bagi luasan A, atau

Jika titik singgung dianggap terletak diantara butiran, tekanan air pori akan bekerja pada bidang di seluruh luasan A. Persamaan keseimbangan dalam arah normal bidang, adalah :

P= ∑P’+uA                                                                                         

Persamaan ini sama dengan,

σ =  σ’+ u                                                                                           

atau tegangan efektif :

σ’=σ-u                                                                                                

Tekanan pori air bekerja ke segala arah sama besar dan akan bekerja pada seluruh bidang permukaan butiran, tapi dianggap tidak mengubah volume butiran. Kesalahan anggapan bidang kontak atau bidang singing antar butiran, sangat kecil, sehingga dapat diabaikan.

Pada butiran mineral lempung, mungkin tidak terjadi kontak langsung, akibat partikel lempung yang terselubung oleh lapisan air serapan (adsorbed water).  Karena tegangan netral hanya dapat bekerja pada rongga pori, maka untuk memperoleh tegangan netral u harus dikalikan dengan luas rongga (A - A_c), atau

P =∑P’ + (A-A_c) u                                                                              

Dengan A adalah luasan kotor total dan A_c adalah luas kontak antar butiran. Bila persamaan (4.7) dibagi dengan luas kotor A untuk memperoleh persamaan tegangan efektif yang disarankan oleh skempton (1960) :

            Tegangan vertical total (σ_v), yaitu tegangan normal pada bidang horizontal pada kedalaman z sama dengan berat seluruh material (padat + air) per satuan luas :

            σ _v = γ _sat z                                                                                                      

dengan z adalah kedalaman yang ditinjau dan g_sat adalah berat volume tenah jenuh. Tekanan air pori pada sebarang kedalaman akan berupa takanan hidrostatis, karena ruang pori diantara butiran saling berhubungan. Karena itu, pada kedalaman z, tekanan air pori (u) adalah :

u = γ _w z                                                                                                           

menurut persamaan (4.1), tegangan vertical efektif (s_v’) pada kedalaman z adalah

            σ _v’ =   σ _v – u                                                                                                

      =  z γ _sat – z γ _w

      = (  γ _{sat -} γ _w) z =    γ’z                                                                               

Dengan g’ adalah berat volume apung tanah ( berat volume efektif atau berat volume tanah terendam).

TEGANGAN EFEKTIF PADA TANAH TAK JENUH

            Bila tanah tidak jenuh sempurna, maka rongga-rongga tanah akan terisi oleh air dan udara,tekanan air pori (u_w) harus selalu lebih kecil daripada tegangan yang terjadi dalam udara (u_a), akibat tarikan permukaan. Karena tanah tidak jenuh, pori udara akan membentuk saluran yang sambung- menyambung melalui ruang diantara butiran, sedang pori air akan terkonsentrasi pada daerah sekitrar kontak antar partikel. Bishop (1955) memberikan persamaan hubungan tegangan total (σ) dan tegangan efektif (σ’) untuk tanah tak jenuh sebagai berikut :

            σ = σ’+ u_a- X (u_a-u_w)                                                                        

dengan X adalah parameter yang ditentukan secara eksperimental, yang mempunyai hubungan secara langsung dengan derajat kejenuhan tanah. Sedang u_w adalah tekanan air di dalam ruang pori dan u_a adalah tekanan udara dalam pori. Untuk tanah jenuh S=1 dan X=1. Untuk tanah kering sempurna S=0 dan X=0 persamaan (4.15) akan sama dengan persamaan (4.1) bila S=1.

 PENGARUH GAYA REMBESAN PADA TEGANGAN EFEKTIF

           Jika air mengalir dengan gradien hidrolik tertentu di dalam tanah,maka pengaruh perbeadan tingi tekanan akan menimbulkan gaya pada butiran tanah. Arah gaya rembesan ini searah dengan aliran.

Tegangan total :

            σ = h₁ γ_w + γ _sat z

Tekanan air pori :

            U = z γ_w + (h₁+∆h) γ_w

Tegangan efektif :

            σ' = σ-u

            σ’ = h₁ γ_w + γ _sat z - z γ_w – ((h₁+∆h) γ_w

atau

                        σ’= z γ’ - ∆h)γ_w

Tegangan efektif yang mengakibatkan keruntuhan pada bangunan sipil

Bangunan yang terletak di daerah tanah lunak akan mengalami penurunan (settlement) jika tanah di area bangunan tersebut mengalami penambahan tegangan efektif. Perbedaan intensitas beban yang bekerja pada masing-masing titik fondasi akan mengakibatkan terjadinya differential settlement. Penelitian ini dimaksudkan untuk menginvestigasi stabilitas bangunan existing yang mengalami differential settlement dengan mengambil studi kasus Bangunan Pabrik Tepung yang terletak di Semarang, Jawa Tengah.Data penurunan yang diperoleh dari basil monitoring di lapangan digunakan untuk mengestimasi penurunan yang terjadi sampai selesainya proses konsolidasi.

Hasil perhitungan ini digunakan sebagai input untuk menentukan konstanta pegas dari masingmasing titik fondasi. Dengan menggunakan konstanta pegas tersebut, struktur dianalisis dengan program static FEM untuk mengetahui pola keruntuhan struktur selama terjadi differential settlement. Pola keruntuhan ini akan bermanfaat untuk menentukan bagaimana untuk memperkuat struktur tersebut sehingga terhindar dari keruntuhan total. Pada studi kasus ini perkuatan akan dilakukan dengan infill wall yang dikombinasikan dengan external prestressing.