Uji Triaksial – Consolidated Undrained

Uji triaksial consolidated-undrained atau yang kadangkala disebut R-test merupakan uji yang seringkali digunakan sebagai pengganti uji CD untuk mencari properti longterm tanah.

Namun juga dapat diaplikasikan untuk kondisi-kondisi dimana tanah yang telah terkonsolidasi oleh tegangan isotrop dan deviatorik tertentu, mengalami perubahan tegangan deviatorik secara mendadak.

Contoh kasus dimana terjadi perubahan tegangan deviatorik secara mendadak dapat dilihat pada gambar dibawah ini:

example-CU

Bendungan tanah yang mengalami perubahan m.a.t. secara mendadak

Gambar diatas adalah gambar sebuah bendungan yang memiliki muka air tanah relatif konstan (angka 1) dalam rentang waktu yang lama, sedemikian sehingga inti bendungan (tanah lempung) telah mencapai kondisi long term (drained).

Bila terjadi penurunan muka air tanah secara cepat (misalnya >1 m per hari) atau seringkali dikenal sebagai rapid drawdown (ditandai dengan angka 2 pada gambar), maka kondisi batas di bendungan menjadi berubah, yaitu perubahan tegangan hidrostatik pada permukaan bendungan dan pada dasar bendungan. Akibatnya tanah yang telah terkonsolidasi ini mengalami perubahan tegangan deviatorik.

Karena ini bukan posting soal rapid drawdown, maka saya tidak membahas lebih jauh fenomena ini, namun bila tertarik bisa membacanya disalah satu artikel di sini.

Sehingga kesimpulannya uji ini dapat digunakan untuk 2 hal, pertama bila yang akan dihitung adalah stabilitas bendungan tanah untuk kondisi long term, maka properti tanah kohesi dan sudut geser tanah yang akan digunakan c' dan \phi' dari lempung (clay) dapat dicari menggunakan uji CU.

Kedua bila yang dicari adalah properti tanah yang telah terkonsolidasi dan mengalami perubahan tegangan deviatorik secara mendadak, maka properti tanahnya c_{cu} dan \phi_{cu} juga dapat dicari menggunakan uji ini.

Uji Consolidated Undrained

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-CU

Skematis uji CU

Pada uji CU, pada fase kompresi keran akan dibuka untuk memperkenankan terjadi konsolidasi, sedangkan pada fase deviatorik, keran akan ditutup.

Karena keran dibuka pada fase konsolidasi, maka tegangan air pori akan nol pada fase ini.

Bila yang akan dicari adalah properti tanah terkonsolidasi yang mengalami perubahan tegangan deviatorik secara mendadak c_{cu} dan \phi_{cu}, maka kita cukup mengamati tegangan total yang diberikan hingga tanah mengalami keruntuhan.

Namun bila kita melakukan uji ini sebagai substitusi uji CD untuk mencari properti longterm tanah c' dan \phi', maka kita perlu mengamati besarnya perubahan tegangan air pori didalam benda uji selama fase deviatorik.

Dengan mengamati besarnya perubahan tegangan air pori ini, maka kita dapat menghitung besarnya tegangan efektif tanah tanpa melakukan uji drained.

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.

Ini diperlukan karena tanah yang tidak tersaturasi sempurna akan berperilaku berbeda. Secara sederhana dengan membuat tanah tersaturasi sempurna, benda uji akan memiliki fasa air yang kontinum dan tentunya tanah hanya memiliki 2 fase saja (air dan kerangka solid).

Sekarang saya akan jelaskan apa yang terjadi selama masing-masing fase pembebanan pada uji CU 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}

cu-tegangan-fase-kompresi

Seperti halnya pada uji CD, perilaku lempung akan sangat tergantung pada tegangan prakonsolidasinya.

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 sangat tergantung dari besaran tegangan kekangan yang kita berikan!!


2. Fase deviatorik

Beban deviatorik akan diberikan setelah keran ditutup, sehingga air tidak keluar dari benda uji. Karena keran ditutup, maka saat tegangan deviatorik diberikan maka akan terjadi perubahan tegangan air pori didalam benda uji.

Bila besarnya perubahan tegangan air pori \Delta_u kita ukur, maka kita dapat menghitung parameter tanah longterm dengan mengetahui besarnya tegangan efektif yang terjadi pada tanah.

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}{\pm u_f}&{0}&{0}\\{0}&{\pm u_f}&{0}\\{0}&{0}&{\pm u_f}\end{bmatrix}

c. Tegangan efektif:

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

cu-tegangan-fase-deviatorik

Uji CU – Tegangan pada fase deviatorik (disaat rupture)

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 CU. Perlu diingat bahwa pada fase ini tidak ada deformasi volumik benda uji karena keran ditutup (undrained).

tipikal-cu-deviatorik

Tipikal hasil uji CU (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 tegangan air porinya, pertama-tama tegangan air pori akan positif, karena benda uji yang seharusnya akan mengalami pengurangan volume ditahan oleh inkompresibilitas dari air. Setelah itu, sampel yang seharusnya mengalami dilasi (penambahan volume), perubahan volumenya kembali ditahan oleh air, sehingga disini akan diperoleh kebalikannya, yaitu tegangan air porinya negatif.
  • Pada lempung terkonsolidasi normal, tegangan deviatorik akan naik secara perlahan dan akan mencapai suatu nilai tertentu. Tegangan air pori akan selalu positif disini, karena dimana seharusnya terjadi pengurangan volume, namun volume benda uji ditahan konstan oleh inkompresibilitas dari air.

Untuk memahami lebih jelas mengenai fenomena terkonsolidasi normal/overkonsolidasi ini, ada baiknya membaca tulisan saya sebelumnya di bagian Tegangan deviatorik untuk tanah overconsolidated vs normally consolidated

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

Mirip seperti pada uji CD, disini kita juga akan memperoleh lingkaran mohr dengan kemiringan berbeda, yang dibatasi oleh tegangan prekonsolidasi \sigma_{pc}.

Namun tidak seperti uji CD yang memiliki tegangan total dan efektif yang berhimpit, disini tegangan total dan efektif dipisahkan oleh tegangan air pori.

Untuk benda uji yang overconsolidated, dapat kita lihat bahwa tegangan total (digambarkan putus-putus), memiliki nilai yang lebih rendah dari pada tegangan efektif sampel (digambarkan dengan garis tak putus-putus). Seperti telah dijelaskan sebelumnya, ini disebabkan oleh tegangan air pori negatif yang terjadi pada benda uji.Nilai kohesi tidak sama dengan nol, karena adanya efek overkonsolidasi, dimana butiran tanah tidak hancur karena hanya dibebani oleh tegangan konsolidasi yang lebih rendah daripada tegangan prakonsolidasi \sigma_{pc}.

mc-cu-overconsolidated

Lingkaran Mohr (overconsolidated soil)

Untuk benda uji yang terkonsolidasi normal, maka tentunya tegangan efektif tanah akan lebih kecil daripada tegangan totalnya. Perhatikan bahwa kohesi tanah bernilai nol pada tanah yang terkonsolidasi normal (garis hijau tak putus-putus).

mc-cu-normallyConsolidated

Lingkaran Mohr (normally consolidated soil)

Bila kita gabungkan kedua gambar terakhir diatas, maka diperoleh gambar gabungan sebagai berikut:

mc-cu-combined

Lingkaran Mohr (over & normally consolidated soil)

Pada gambar diatas, dapat dilihat dengan jelas bahwa daerah pembatas antara lempung terkonsolidasi normal atau overkonsolidasi ditandai dengan perubahan kemiringan dari permukaan runtuh Mohr-Coulomb dari tegangan efektif (garis hijau tak putus-putus). Ini penting, karena kriteria keruntuhan Mohr-Coulomb merupakan kriteria untuk kerangka solid tanah (tegangan efektif).

Rangkuman hasil properti tanah yang didapat pada uji CU adalah sbb:

  • Untuk tanah overconsolidated: (1) Properti long term tanah c' dan \phi_1'; (2) Properti tanah untuk tanah yang telah terkonsolidasi namun mengalami perubahan tegangan deviatorik c_{cu} dan \phi_{cu1}
  • Untuk tanah terkonsolidasi normal: (1) Properti long term tanah \phi_2', (2) Properti tanah untuk tanah telah terkonsolidasi namun mengalami perubahan tegangan deviatorik \phi_{cu2}

Cheers 😎

Iklan

Comments

  1. Abdul Kholid says:

    nice info, sangat membantu

  2. apa pengaruh keran ditutup dengan tidak ditutup terhadap tekanannya?

    • Mas Hendro, bila yang dimaksud adalah untuk fase kompresi, maka keran ditutup menggambarkan kondisi unconsolidated, bila dibuka tentunya menggambarkan kondisi consolidated.

      Namun bila yang dimaksud adalah untuk fase deviatorik, maka keran dibuka menggambarkan kondisi drained, excess pore water pressure-nya harus kecil saat setiap penambahan beban. Sedangkan bila ditutup tentu saja menggambarkan kondisi undrained.

  3. kenapa pada tanah overkonsolidasi, akan terjadi dilasi sedangkan pada tanah terkonsolidasi normal tidak mengalami dilasi ? mohon pencerahannya sensei…..

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: