Unsaturated soils – Tekanan Air Pori Negatif

Dalam studi karakteristik tanah di rekayasa sipil, pada umumnya hanya dipelajari dua kasus ekstrim berikut: tanah yang kering sempurna (dry soils) dan tanah tersaturasi sempurna (saturated soils).

Menggunakan definisi derajat saturasi yang merupakan rasio antara volume air dan volume void (air + udara) pada tanah, kita ketahui bahwa tanah tersaturasi sempurna memiliki nilai dan untuk tanah kering sempurna

Tanah tersaturasi sempurna dapat ditemukan pada tanah yang dilalui aliran air tanah (ground water), sedangkan sisanya, yaitu tanah diatas muka air tanah, untuk menyederhanakan analisis, seringkali dianggap sebagai tanah yang kering sempurna.

Skema hidrologi air di permukaan bumi (sumber)

Tiga fase tanah: solid, air, udara (sumber)

Tentu saja, pada kenyataannya, tanah diatas muka air tanah atau dengan istilah ilmiahnya vadose zone, adalah tanah yang tidak tersaturasi, derajat saturasinya berada diantara 0 dan 1.

Untuk tanah yang berada tepat diatas muka air tanah, meski tidak tersaturasi sempurna, biasanya tingkat saturasinya cukup tinggi. Sedangkan tanah yang berada di permukaan, tingkat saturasinya tergantung kepada curah hujan atau vegetasi yang ada. Untuk lebih jelasnya bisa lihat siklus hidrologi diatas.

Sekarang sudah cukup jelas bahwa pada kenyataannya, ada tanah yang tingkat saturasinya tidak berada di dua ekstrim yang umumnya dipelajari. Selain fase solid dan fase likuid, tanah unsaturated ini juga memiki fase gas.

Nah pertanyaannya tentu saja, bagaimana perilaku tanah yang tidak tersaturasi tersebut?

Sekilas tentang tekanan air pori positif

Agar bisa menjawab pertanyaan diatas, kita harus memahami terlebih dahulu konsep tekanan air pori negatif. Ini adalah konsep dasar yang diperlukan untuk memahami perilaku tanah unsaturated !!

Namun sebelumnya, saya review sejenak mengenai tekanan air pori positif.

Tekanan adalah tegangan yang besarnya sama ke segala arah. Tekanan ini bisa negatif atau positif. Gambar dibawah ini menunjukkan aktivitas sehari-hari yang berkaitan dengan pemberian tekanan positif dan negatif.

Tekanan positif saat meniup balon

Tekanan negatif saat menyedot minuman

Untuk kasus tanah yang tersaturasi sempurna, Karl Terzaghi, bapak mekanika tanah, telah memperkenalkan konsep mengenai tegangan tanah efektif sbb:

Pada prinsipnya persamaan diatas menyatakan bahwa tegangan dari luar sistem akan ditahan oleh matriks solid tanah dan/atau tekanan air pori yang nilainya positif

Untuk kondisi short-term, air akan menahan seluruh tegangan yang diberikan, sehingga . Dalam hal ini, nilai tekanan air porinya adalah positif !! Seiring dengan berjalannya waktu, nilai tekanan air pori ini akan berkurang secara gradual hingga akhirnya bernilai nol (di kondisi long-term).

Tekanan air pori negatif: Matric suction

Sekarang bagaimana dengan tanah yang tidak tersaturasi? Gambar dibawah ini menggambarkan air yang terperangkap diantara dua butir tanah. Ada dua fenomena yang menarik disini:

1. Mengapa permukaan air diantara dua butiran tanah berbentuk concave?
2. Mengapa air pada umumnya terkonsentrasi di celah sempit antara dua butiran?

Air diantara butir tanah

Sesungguhnya kedua fenomena diatas berkaitan erat !! Pertama, bentuk concave dari permukaan air merupakan efek dari lebih kuatnya gaya tarik antara molekul air (kohesi) dibandingkan dengan gaya tarik molekul air dengan dinding butir tanah (adhesi).

Kedua, karena air di permukaan hanya ditarik oleh molekul-molekul air dibawahnya, maka molekul air di permukaan ini memiliki gaya tarik yang lebih kuat diantara mereka, fenomena ini dikenal dengan nama surface tension. Hal inilah yang menyebabkan air cenderung terperangkap diantara celah sempit antara dua butiran.

Ketiga, dengan bentuk concave di permukaan air dan  gaya tarik yang kuat antara molekul air tersebut, akan dihasilkan resultan gaya keatas (lihat gambar dibawah) di interface antara air dan butir tanah (atau tabung menurut gambar dibawah). Hal ini menghasilkan fenomena yang dikenal dengan nama aksi kapiler !!

Fenomena surface tension dan kapilaritas (sumber)

Untuk lebih jelasnya video youtube dibawah ini menggambarkan bagaimana aksi kapiler terjadi di tabung. Semakin kecil diameter tabung, maka makin kuat pula aksi kapilernya !!

Mengapa saya perlu menjelaskan mengenai aksi kapiler? Sederhana, bila kita bayangkan bahwa rongga-rongga antar butiran tanah adalah tabung-tabung kecil, maka aksi kapiler akan menyebabkan air dari aliran air tanah bergerak keatas.

Perlu diketahui bahwa salah satu komponen utama penyebab munculnya tekanan air pori negatif di unsaturated soils adalah aksi kapiler diatas !!

Kontribusi tekanan air pori negatif akibat aksi kapiler ini biasa diberi istilah matric suction, yang diformulasikan sbb:

Matric suction

Dimana: adalah tekanan udara pori dan adalah tekanan air pori.

Tekanan air pori negatif: Osmotic suction

Selain akibat aksi kapiler, proses kimia juga bisa menyebabkan terjadinya tekanan air pori negatif. Proses kimia yang dimaksud adalah osmosis. Osmosis adalah perpindahan spontan molekul pelarut (seperti air) melalui membran semi-permeabel ketempat dimana konsentrasi zat terlarut (seperti garam) lebih tinggi. Untuk lebih jelasnya mengenai proses osmosis ini bisa lihat video youtube dibawah ini.

Saat peristiwa osmosis terjadi, tinggi hidrolik di satu tempat lebih tinggi dibandingkan ditempat lainnya, beda tinggi hidrolik inilah yang dikenal dengan nama osmotic pressure, yaitu tekanan yang diperlukan untuk mencegah terjadinya proses osmosis diatas.

Mungkin banyak dari kita juga sering mendengar proses penyaringan garam dari air laut dengan metode reverse osmosis, untuk kasus tersebut, tekanan diberikan di tempat yang lebih besar konsentrasi zat terlarutnya (lebih besar tinggi hidroliknya), dalam hal ini air laut, sedemikian sehingga pelarut (air) bisa mengalir ke tempat yang memiliki zat terlarut lebih rendah.

Kembali ke problem unsaturated soils, perlu diketahui bahwa tanah di permukaan pada umumnya memiliki kandungan zat terlarut (garam) lebih tinggi, ini diakibatkan oleh  proses irigasi atau pelapukan batuan. Proses ini dikenal dengan nama salinisasi.

Oleh karena itu, kandungan zat terlarut di permukaan tanah pada umumnya lebih tinggi daripada di dalam tanah, dengan demikian disini ada potensi terjadinya proses osmosis. Tekanan air pori negatif akibat proses ini dikenal dengan istilah osmotic suction .

Dengan demikian, total tekanan hisap di tanah (soil suction)  dapat diformulasikan dengan:

Tekanan air pori negatif merupakan fenomena penting untuk memahami perilaku tanah unsaturated. Karena tekanan ini negatif, maka sesungguhnya ia akan memberikan ‘rekatan’ pada butiran tanah.

Demikian posting mengenai tekanan air pori negatif, diskusi lebih lanjut mengenai unsaturated soils ini akan saya sambung di posting berikutnya.