Uji Triaksial – Back Pressure & Koefisien Skempton

Pemahaman bagaimana uji triaksial berlangsung memerlukan pemahaman mengenai Koefisien Skempton (koefisien tegangan air pori)

Koefisien Skempton memegang peranan penting untuk menginterpretasi hasil uji triaksial yang kita peroleh, oleh karena itu disini saya akan membahas koefisien ini sebelum berbicara lebih jauh mengenai hasil-hasil dari tiap uji triaksial

Back Pressure

Namun sebelum berbicara mengenai Koefisien Skempton, saya perlu mengenalkan istilah back pressure (tekanan balik)

Tekanan balik (semoga ini terms bahasa indonesia yang tepat) :mrgreen: adalah tekanan yang diberikan ke dalam internal benda uji melalui batu pori dibagian atas dan/atau bawah benda uji sebelum dilakukan uji triaksial.

Idenya adalah bagaimana back pressure ini dapat meningkatkan saturasi dari sampel tanah.

Bersamaan dengan tekanan balik ini akan diberikan pula initial chamber/cell pressure alias tegangan yang diberikan pada sel triaksial

Skematisasinya dapat kita lihat pada gambar dibawah ini, secara singkat back pressure akan membuat sampel tanah mengembang, sedangkan initial chamber pressure akan membuat sampel tanah terkompresi. Nah kalo keduanya diberikan secara bersamaan dan bertahap, maka diharapkan

  • sampel tanah tidak berubah volumenya
  • saturasi sampel tanah dapat dicapai setinggi mungkin
sel-triaksial

Sel Triaksial (sumber)

Cat: Derajat saturasi dirumuskan sbb:

S_r=\frac{V_w}{V_v}

Derajat saturasi menggambarkan besarnya proporsi volume air (water) yang mengisi rongga (void) didalam tanah. Dalam hal ini rongga (void) dapat diisi oleh air dan/atau udara

Mengapa derajat saturasi ini penting? Karena udara memainkan peranan yang penting, udara dapat dengan mudah terkompresi atau mengembang. Dimana properti tanah yang kita dapatkan saat tanah tersaturasi sempurna, tidak tersaturasi sama sekali atau hanya tersaturasi sebagian akan sangat berbeda

Umumnya hanya tanah tersaturasi sempurna (S_r=100\%) atau tidak tersaturasi sama sekali (S_r=0\%) yang umum dipelajari menggunakan triaksial. Tanah yang hanya tersaturasi sebagian memiliki perilaku yang tidak bersahabat

Saya katakan tidak bersahabat karena pemampatan rongga udara didalam tanah selama proses pembebanan dapat mengakibatkan tidak tepatnya hasil pembacaan \Delta_u (inkremen tegangan air pori) dan \Delta_v (inkremen volume benda uji), selama fase pembebanan benda uji

Karena mempengaruhi hasil pembacaan \Delta_u, maka otomatis derajat saturasi mempengaruhi nilai Koefisien Skempton yang akan saya jabarkan dibagian berikutnya.

Derajat saturasi inilah yang menjadi alasan utama diaplikasikannya tegangan balik (back pressure). Dengan mengaplikasikan tegangan balik diharapkan sampel tanah dapat tersaturasi semaksimal mungkin!!

Koefisien Skempton

Koefisien tegangan air pori atau yang lebih dikenal dengan koefisien Skempton merupakan parameter yang sangat penting didalam uji triaksial

alec-skempton

Alec Skempton (sumber)

Skempton adalah seorang ahli mekanika tanah asal Inggris yang pertama kali (di tahun 1950an) menelurkan ide mengenai Koefisien Skempton A dan B yang akan saya bahas disini

Pertama-tama, jika tanah kita asumsikan sebagai material yang elastik dan isotrop serta tersaturasi sempurna, maka tanah hanya akan terdiri dari 2 fase, solid dan likuid.

Untuk bagian solidnya tentunya kita miliki hubungan antara tegangan isotrop efektif \sigma_m' dan deformasi volumiknya \epsilon_V sebagai berikut

\sigma_m'=K\epsilon_V

Dengan K adalah bulk modulus. Persamaan diatas dapat diturunkan dengan mudah menggunakan hukum konstitutif isotrop-elastik. Saya tidak jabarkan disini penurunannya karena memerlukan satu bagian tersendiri untuk penjabaran hukum konstitutif elastik terlebih dahulu.

Kemudian persamaan regangan/strain/deformasi volumiknya \epsilon_V adalah sbb

\epsilon_V=\frac{\Delta V}{V}

\Delta V=\epsilon_{V}V

Kemudian substitusikan persamaan sebelumnya ke persamaan diatas

\Delta V=-(\frac{\Delta\sigma_m'}{K})V

Dimana tegangan isotrop/spherical didefinisikan sebagai

\sigma_m'=\frac{1}{3}(\Delta\sigma_1'+\Delta\sigma_2'+\Delta\sigma_3')

Sehingga:

\Delta V=-\frac{V}{3K}(\Delta\sigma_1'+\Delta\sigma_2'+\Delta\sigma_3')

Sedangkan untuk bagian likuid-nya kita miliki persamaan yang serupa, hanya saja volume air-nya sama dengan nV bila seluruh pori tersaturasi sempurna

Kemudian untuk bagian likuid tegangan yang mengakibatkan deformasi volumiknya adalah tegangan air pori \Delta u, sehingga

\Delta V=-\frac{nV}{K_w}(\Delta u)

Dengan K_w adalah bulk modulus untuk air

Hal yang menjadi kunci disini adalah bahwa inkremen tegangan efektif \sigma_m' dan inkremen tegangan air pori \Delta u, secara bersama-sama akan menghasilkan perubahan volume \Delta V yang sama secara global di tanah

Bila kita gabungkan kedua persamaan terakhir diatas maka diperoleh

-\frac{nV}{K_w}(\Delta u)=-\frac{V}{3K}(\Delta\sigma_1'+\Delta\sigma_2'+\Delta\sigma_3')

\frac{n}{K_w}(\Delta u)=\frac{1}{3K}(\Delta\sigma_1+\Delta\sigma_2+\Delta\sigma_3-3\Delta u)

\frac{n}{K_w}(\Delta u)=\frac{1}{3K}(\Delta\sigma_1+\Delta\sigma_2+\Delta\sigma_3)-\frac{1}{K}\Delta u

\Delta u (\frac{n}{K_w}+\frac{1}{K})=\frac{1}{3K}(\Delta\sigma_1+\Delta\sigma_2+\Delta\sigma_3)

\Delta u (n\frac{K}{K_w}+1)=\frac{1}{3}(\Delta\sigma_1+\Delta\sigma_2+\Delta\sigma_3)

Pada uji triaksial yang umum dilakukan nilai tegangan kekangan pada arah lateral sama besarnya, sehingga

\Delta\sigma_2=\Delta\sigma_3

Maka:

\Delta u (n\frac{K}{K_w}+1)=\frac{1}{3}(\Delta\sigma_1+2\Delta\sigma_3)

\Delta u (n\frac{K}{K_w}+1)=\frac{1}{3}(\Delta\sigma_1-\Delta\sigma_3+3\Delta\sigma_3)

\Delta u (n\frac{K}{K_w}+1)=\Delta\sigma_3+\frac{1}{3}(\Delta\sigma_1-\Delta\sigma_3)

\Delta u=\frac{1}{n\frac{K}{K_w}+1}(\Delta\sigma_3+\frac{1}{3}(\Delta\sigma_1-\Delta\sigma_3))

Mengapa saya ribet-ribet menurunkan persamaan diatas? Karena persamaan eksperimental dari Skempton pada dasarnya menggunakan bentuk diatas, yaitu

\Delta u=B(\Delta\sigma_3+A(\Delta\sigma_1-\Delta\sigma_3))

\Delta u=B\Delta\sigma_3+AB(\Delta\sigma_1-\Delta\sigma_3)

\Delta u=B\Delta\sigma_3+\overline{A}(\Delta\sigma_1-\Delta\sigma_3)

Kedua variabel B dan \overline{A} merupakan dua koefisien Skempton

Pengukuran kedua koefisien ini diperlukan, karena:

  • Koefisien B bermanfaat untuk mengukur derajat saturasi benda uji
  • Koefisien \overline{A} berguna untuk mengetahui perilaku tanah selama fase deviatorik

Nah sekarang bagaimana menginterpretasi persamaan diatas??

Untuk memahami persamaan diatas tentunya kita harus sadari bahwa uji triaksial terbagi menjadi fase kompresi dan fase deviatorik yang telah saya jelaskan di posting sebelumnya

Saat fase kompresi, nilai inkremen tegangan deviatorik di benda uji sama dengan nol, atau saya dapat tuliskan

\sigma_D=\Delta\sigma_1-\Delta\sigma_3=0

Itu artinya pada fase kompresi hubungan yang kita dapat sebelumnya dapat disederhanakan menjadi

\Delta u=B\Delta\sigma_3+\overline{A}(\Delta\sigma_1-\Delta\sigma_3)

\Delta u=B \Delta\sigma_3

Biasanya sebelum fase kompresi yang sesungguhnya, kita akan mengecek berapa besarnya koefisien B yang kita miliki. Bila sudah mendekati B=1.0, maka baru kita akan memulai pengujian yang sesungguhnya

Mengapa harus mendekati satu? Karena bila tanah tersaturasi sempurna, maka

K_w \gg K

Sehingga secara teori

B=\frac{1}{n\frac{K}{K_w}+1}\approx 1

Sekarang bagaimana caranya menghitung koefisien B di eksperimen? Dari uji triaksial kita bisa mengukur baik tekanan didalam sel triaksial \sigma_3 maupun tekanan air pori \Delta u didalam benda uji. Perbandingan keduanya menghasilkan koefisien B

Standar seberapa dekat nilai B mendekati satu akan bervariasi, namun secara praktis sebaiknya B>99.5\%, atau kalau mau mengacu kepada standar, bisa mengacu ke beberapa aturan yang mensyaratkan soal besarnya koefisien ini (misalnya di ASTM)

Bila derajat saturasi dari benda uji masi rendah, maka kita harus mengatur lagi besarnya tekanan balik yang diinjeksikan ke sampel hingga nilai koefisien B telah memenuhi syarat

Saat fase deviatorik, maka besarnya inkremen tegangan kompresi konstan

\Delta\sigma_3=0

Sehingga:

\Delta u=B\Delta\sigma_3+\overline{A}(\Delta\sigma_1-\Delta\sigma_3)

\Delta u=\overline{A}\Delta\sigma_1

Nilai koefisien \overline{A} ini dihitung saat kondisi failure dari sampel tanah atau dengan kata lain saat tegangan gesernya maksimal (karena kita menggunakan kriteria runtuh Mohr-Coulomb).

Nilai koefisien \overline{A} mengindikasikan tipe tanah yang dimiliki saat diberikan tegangan kompresi tertentu \sigma_3

Tanah yang normally consolidated umumnya memiliki nilai \overline{A} antara 0 sampai 1 sedangkan tanah yang overconsolidated memiliki nilai \overline{A} antara -0.5 sampai 0.

Mengapa demikian? Ini berkaitan tegangan air pori positif atau negatif yang mungkin akan lebih jelas nanti saat mengeksplorasi hasil-hasil uji triaksial

Again, to be continued 😎

Iklan

Comments

  1. Dear Mas James…again, some questions from me and mr Dhanny IKPT

    Mengenai settlement, jika kita menganalisis settlement pada tanah Clay, mengapa kita cukup menganalisis long term settlement nya saja ?
    sedangkan jika kita menganalisis settlement pada tanah sand, kita menganalisis immediate nya saja…

    apakah semata-mata hanya karena tingkat permeabilitas saja ?

    Terima Kasih mas James 🙂

    • Jadi gini, pertama-tama kita harus sepakat soal definisi kondisi “long term” pada tanah dan settlement

      Kondisi long term yang dimaksud bukan kondisi tanah setelah waktu yang lama, melainkan kondisi dimana tegangan air pori didalam tanah sudah nol.

      Untuk clay, kondisi long term ini tidak dapat dicapai seketika karena permeabilitas tanah rendah, sehingga tegangan air pori akan turun secara perlahan-lahan, kondisi ini tidak favorable, karena ini memungkinkan terjadinya differential settlement.

      Ini artinya, untuk clay, saat awal pembebanan, kita akan berada pada kondisi short-term, kemudian secara gradual akan menuju kondisi long term. Proses penurunan tanah secara gradual inilah yang menjadi problem dan perlu dianalisis.

      Sedangkan untuk sand, saat kita bebani, akibat permeabilitasnya yang tinggi, maka tegangan air pori akan cepat sekali mencapai nol.

      Ini berarti, untuk sand, saat dibebani beban statik, maka kita akan langsung mendapat kondisi long termnya (tanpa kondisi short term). Kalau kondisi long term sudah dicapai, maka tidak ada differential settlement lagi seperti halnya pada clay yang mengalami perubahan gradual dari kondisi short ke long term.

      Pertanyaan lainnya, apakah di sand dapat terjadi kondisi short term? Jawabannya bisa, yaitu saat sand menerima pembebanan dinamik… Akibatnya terjadilah fenomena yang lebih dikenal sebagai likuifaksi di sand… :mrgreen:

      Semoga membantu 😎

Trackbacks

  1. […] Pada posting yang lalu saya sudah menyinggung bahwa benda uji sebaiknya harus memiliki nilai saturasi yang mendekati sempurna dengan mengecek koefisien Skempton mendekati 1 […]

  2. […] Hal penting lainnya yang perlu dicermati adalah derajat saturasi benda uji, dimana benda uji harus mencapai derajat saturasi mendekati sempurna sebelum melakukan uji ini. Derajat saturasi sempurna dapat dicapai dengan mengaplikasikan back pressure pada benda uji dan dapat dihitung dengan menggunakan koefisien Skempton. […]

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: