Uji Triaksial – Consolidated Drained

Uji Consolidated Drained (CD) atau kadang dikenal dengan slow test merupakan uji mekanika tanah yang digunakan untuk mengevaluasi properti tanah long term.

CD dinamakan slow test karena ini berkaitan dengan durasi uji CD yang bisa memakan waktu harian bahkan mingguan.

Kapan kita harus menggunakan uji CD? Tentu saja saat kita ingin mengevaluasi suatu problem geoteknik pada kondisi long term-nya.

Pertama-tama tentunya kita harus sepakat dengan apa yang dimaksud kondisi long term ini.

Kondisi long term tanah didefinisikan sebagai saat dimana tegangan air pori di dalam tanah sudah nol (sudah tidak ada disipasi tegangan air pori) baik akibat proses konsolidasi maupun pembebanan geser (deviatorik).

Contohnya saat kita ingin mengevaluasi stabilitas bendungan tanah (lihat garis putus-putus berwarna hitam) dengan ketinggian muka air yang relatif konstan seperti gambar dibawah ini

example-CD

Bendungan tanah dengan muka air tanah konstan

Bila yang akan dihitung adalah stabilitas bendungan tanah untuk kondisi long term, maka properti tanah kohesi dan sudut geser tanah yang akan digunakan c_d dan \phi_d' dari lempung (clay) dapat dicari menggunakan uji CD (dengan huruf “d” adalah kependekan dari drained).

Uji Consolidated Drained

Seperti halnya semua uji triaksial lainnya, uji triaksial CD terbagi menjadi 2 fase, yaitu fase pembebanan tegangan spherical/isotrop/kompresi yang merupakan tegangan yang sama besarnya ke ketiga arah prinsipal, dan fase pembebanan tegangan deviatorik.

skema-uji-CD

Skematis uji CD

Pada uji CD, baik pada fase kompresi maupun pada fase deviatorik keran akan dibuka sehingga disipasi tegangan air pori dapat terjadi pada benda uji.

Kembali ke contoh kasus bendungan diatas, pada kondisi long term, bagian inti dari bendungan tanah yang merupakan lempung telah mendisipasi seluruh tegangan air pori-nya, atau dengan kata lain tegangan air porinya sudah nol.

Ini artinya, selama uji CD, kita hanya akan memiliki kurva tegangan efektif tanah, karena tegangan air pori selalu nol sepanjang uji (baik pada fase kompresi maupun deviatorik)

Sekarang saya akan jelaskan apa yang terjadi selama masing-masing fase pembebanan pada uji CD ini


1. Fase kompresi

Pada fase kompresi, benda uji diberikan tegangan isotrop secara bertahap \Delta\sigma_c hingga mencapai tegangan kekangan yang diinginkan \sigma_c, dengan tegangan air pori dijaga nol pada setiap tahapnya.

Pada akhir fase kompresi, kita akan memiliki tegangan seperti pada gambar dibawah ini, dengan nilai-nilainya sbb:

a. Pada cell/chamber (tegangan total):

\overline{\overline{\sigma}}_T=\begin{bmatrix}{\sigma_c}&{0}&{0}\\{0}&{\sigma_c}&{0}\\{0}&{0}&{\sigma_c}\end{bmatrix}

b. Tegangan air pori:

\overline{\overline{u}}=\begin{bmatrix}{0}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{0}\end{bmatrix}

c. Tegangan efektif:

\overline{\overline{\sigma}}'=\overline{\overline{\sigma}}_T-\overline{\overline{u}}=\begin{bmatrix}{\sigma_c}&{0}&{0}\\{0}&{\sigma_c}&{0}\\{0}&{0}&{\sigma_c}\end{bmatrix}

CD-tegangan-fase-kompresi

Uji CD – Tegangan di akhir fase kompresi

Pada fase ini, sesungguhnya apa yang kita lakukan serupa dengan uji oedometrik/konsolidasi satu dimensi.

Saya tidak akan membahas secara detail uji konsolidasi disini (karena saya ingin membahas uji tersebut di postingan terpisah :mrgreen:), namun salah satu produk utama dari uji tersebut adalah tegangan prakonsolidasi \sigma_{pc}

Tegangan prakonsolidasi adalah tegangan maksimal yang pernah diterima selama umur tanah tersebut.

Mengapa bisa demikian? Silahkan membaca-baca ulang mengenai uji konsolidasi 😎

Tegangan prakonsolidasi inilah yang akan membatasi 2 kondisi tanah lempung, yaitu tanah lempung yang overkonsolidasi dan tanah lempung yang terkonsolidasi normal.

Lempung overkonsolidasi dapat diperoleh bila kita memberikan tegangan kekangan efektif tanah \sigma' <= tegangan prakonsolidasi \sigma_{pc}

Sedangkan sebaliknya, lempung yang terkonsolidasi normal terjadi saat tegangan kekangan efektif tanah \sigma' > tegangan prakonsolidasi \sigma_{pc}

Ini artinya, perilaku benda uji lempung undisturbed sangat tergantung dari besaran tegangan kekangan yang kita berikan!!

Saya menyinggung masalah dua kondisi tanah lempung ini karena hasil dari uji CD akan sangat tergantung dari kondisi tanah lempung yang kita uji.

Namun ini tidak berarti kita harus melakukan uji konsolidasi terlebih dahulu sebelum melakukan uji CD, meskipun kalau kita telah melakukan uji konsolidasi terlebih dahulu kita dapat membandingkan hasil yang kita peroleh.


2. Fase deviatorik

Pada fase ini, pelat dibagian atas dan bawah benda uji akan menekan benda uji dengan tegangan aksial menghasilkan tegangan deviatorik pada benda uji

Seperti pada fase sebelumnya, keran akan tetap dibiarkan terbuka sehingga tegangan air pori dapat tetap terjaga nol untuk mensimulasikan kondisi long term

Disini diperlukan kecepatan pembebanan yang sangat rendah atau inkremen pembebanan yang sangat kecil agar tegangan air pori selama fase deviatorik dapat tetap terjaga nol.

Akibat kecepatan pembebanan yang rendah, maka untuk mendapatkan hasil yang representatif, durasi uji ini dapat memakan waktu beberapa hari hingga beberapa minggu, sehingga untuk problem-problem praktis uji ini relatif jarang digunakan.

Pada saat runtuhnya (failure), benda uji akan mendapat tambahan tegangan aksial sebesar \sigma_f pada arah prinsipalnya, sehingga kita akan mendapatkan kondisi tegangan sbb:

a. Pada cell/chamber (tegangan total):

\overline{\overline{\sigma}}_T=\begin{bmatrix}{\sigma_c}&{0}&{0}\\{0}&{\sigma_c}&{0}\\{0}&{0}&{\sigma_c}\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}{\sigma_f}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{0}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}{\sigma_c+\sigma_f}&{0}&{0}\\{0}&{\sigma_c}&{0}\\{0}&{0}&{\sigma_c}\end{bmatrix}

b. Tegangan air pori:

\overline{\overline{u}}=\begin{bmatrix}{0}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{0}\\{0}&{0}&{0}\end{bmatrix}

c. Tegangan efektif:

\overline{\overline{\sigma}}'=\overline{\overline{\sigma}}_T-\overline{\overline{u}}=\begin{bmatrix}{\sigma_c+\sigma_f}&{0}&{0}\\{0}&{\sigma_c}&{0}\\{0}&{0}&{\sigma_c}\end{bmatrix}

CD-tegangan-fase-deviatorik

Uji CD – Tegangan pada fase deviatorik (saat failure)

Besarnya nilai tegangan runtuh \sigma_f ini akan tergantung pada kondisi tanah lempung yang dimiliki (overconsolidated atau normally consolidated)

Berikut dibawah ini adalah gambar hasil tipikal dari uji CD

Tipikal hasil uji CD (Fase deviatorik)

Tipikal hasil uji CD (Fase deviatorik)

Dari hasil fase deviatorik diatas dapat kita amati bahwa :

  • Pada lempung overkonsolidasi, setelah mencapai tegangan deviatorik maksimal, benda uji akan mengalami softening. Bila kita amati evolusi perubahan deformasi volumiknya \Delta_V, pertama-tama benda uji akan terkompresi (mengalami pengurangan volume), kemudian dilanjutkan dengan dilasi.
  • Pada lempung terkonsolidasi normal, tegangan deviatorik akan naik secara perlahan dan akan mencapai suatu nilai asimtotik tertentu. Benda uji hanya akan mengalami fase kompresi selama proses pemberian tegangan deviatorik dilakukan

Bila uji diatas dilakukan pada sampel undisturbed, maka seperti sudah disinggung sebelumnya, perilaku overkonsolidasi/terkonsolidasi normal diatas akan sangat tergantung dari tegangan kekangan yang diberikan pada fase kompresi. Dimana tegangan kekangan untuk tanah overkonsolidasi pasti lebih kecil daripada tegangan kekangan untuk tanah terkonsolidasi normal.


Tegangan deviatorik untuk tanah overconsolidated vs normally consolidated

Bagaimana menjelaskan hasil diatas secara physical? Agar hasil diatas dapat dijelaskan secara fisik dan bukan cuma sekedar hafalan, maka saya akan tampilkan respon benda uji saat di remolded (dihancurkan dan dibuat ulang), sehingga dihasilkan sampel yang disturbed.

Saat membuat ulang benda uji tersebut, kita akan buat 2 benda uji, benda uji pertama hanya dibentuk ulang tanpa perlakuan khusus, sedangkan benda uji kedua akan dipadatkan.

Kemudian kita akan uji kedua benda uji tersebut dengan menggunakan tegangan kekangan yang sama \sigma_c=\sigma_3' namun lebih kecil dari tegangan prakonsolidasi \sigma_{pc}. Perlu diingat bahwa pada uji undisturbed yang telah saya jelaskan sebelumnya, benda uji yang diberikan suatu tegangan kekangan hanya akan berkorespondensi terhadap salah satu kondisi tanah (overconsolidated/normally consolidated).

Apakah kita akan mendapat respon yang sama untuk kedua benda uji disturbed ini? Hasilnya dapat dilihat dibawah ini.

remolded-vs-compacted

Ternyata hasilnya berbeda meskipun tegangan kekangannya sama… 🙄

Untuk benda uji yang dipadatkan (garis berwarna merah), ternyata menghasilkan benda uji yang berperilaku seperti lempung overkonsolidasi, sedangkan benda uji yang tidak dipadatkan (garis putus-putus berwarna coklat) berperilaku seperti lempung terkonsolidasi normal!!

Apa yang menjadi perbedaan dari dua sampel tanah diatas? Yap, angka pori/porositas tanahnya, alias perbedaan kepadatan dari dua sampel tanah tersebut. Saat benda uji dipadatkan, maka butiran-butiran tanah akan mengalami interlocking sehingga dihasilkan tahanan geser yang lebih besar dibandingkan dengan hasil pada sampel yang tidak dipadatkan.

Saya kira ini poin penting penyebab terjadi/tidak terjadinya overkonsolidasi.

Apa korelasinya pada benda uji undisturbed? Pada benda uji undisturbed:

  • Bila tegangan \sigma_c<=\sigma_{pc}, maka butiran tanah tidak akan mengalami kehancuran. Kemudian karena proses konsolidasi pernah terjadi untuk tegangan yang lebih besar daripada tegangan kekangan yang diberikan sekarang, maka tentu saja sampel akan menjadi lebih padat. Hal ini yang menyebabkan terjadinya interlocking pada benda uji, sehingga dihasilkan tanah overconsolidated.
  • Bila tegangan \sigma_c>\sigma_{pc}, maka butiran tanah akan hancur akibat tegangan yang lebih besar dari yang pernah diterima sebelumnya. Maka tanah akan berada pada kondisi yang sangat loose, karena butiran hancur tersebut sesungguhnya dapat membentuk suatu konfigurasi yang jauh lebih padat. Akibatnya saat dilakukan fase deviatorik, benda uji hanya akan mengalami kompresi. Hasilnya adalah tanah yang terkonsolidasi normal.

Semoga lebih jelas :mrgreen: (atau jangan-jangan malah tambah bingung) :mrgreen:

Hasil uji CD pada bidang tegangan Mohr (\tau , \sigma)

Karena untuk satu benda uji yang sama, kita dapat mengalami overkonsolidasi atau terkonsolidasi normal, maka tentu saja kita akan mendapat dua buah permukaan runtuh Mohr-Coulomb dengan kemiringan berbeda.

Untuk tanah yang overkonsolidasi, hasil lingkaran Mohr-nya adalah sbb:

MC-CD-overconsolidated

Lingkaran Mohr (overconsolidated soil)

Dari penjelasan pada bagian sebelumnya, disini dapat dilihat bahwa nilai kohesi c_d tidak nol karena adanya interlocking pada benda uji. Sedangkan untuk tanah yang terkonsolidasi normal, hasil lingkaran Mohr-nya adalah sbb:

MC-CD-normally-consolidated

Lingkaran Mohr (normally consolidated soil)

Bila digabungkan, maka diperoleh diagram Mohr sbb:

MC-CD-combined

Lingkaran Mohr (over & normally consolidated soil)

Cat: Lingkaran Mohr untuk tegangan total dan efektif pada uji CD berhimpit.

Dengan melihat gambar diatas, maka akan didapat properti tanah untuk uji CD sbb:

  • Overconsolidated: c_d dan \phi_{d1}'
  • Normally consolidated: \phi_{d2}'
Iklan

Comments

  1. yang nol itu tegangan air pori atau excess pore water nya mas ?

  2. bang james, apakah tegangan yg menyebabkan failure pada fase deviatorik itu lebih tinggi atau lebih rendah daripada tegangan prakonsolidasi ? Lalu saya juga masih kurang paham kenapa untuk tanah overkonsolidasi,saat setelah diberikan tegangan deviatorik maksimal, dia bisa mengalami dilasi dan pertambahan volume ?

Trackbacks

  1. […] digunakan untuk mencari properti long term tanah. Uji ini seringkali digunakan sebagai pengganti uji CD untuk mencari properti longterm […]

  2. […] tapi kekuatan tambahan ini sesungguhnya dihasilkan oleh matric suction. Buktinya, bila diuji di uji triaxial consolidated-drained, pasir akan memiliki nilai kohesi […]

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: