Unsaturated Soils – Gambaran Umum

Studi tanah tak tersaturasi membahas mengenai perilaku tanah di daerah yang dikenal dengan nama vadose zone, yaitu tanah diatas muka air tanah yang tidak 100% tersaturasi, namun juga tidak 100% kering. Tanah seperti ini adalah mayoritas tanah yang kita temui di lapangan.

Saya sengaja menulis terlebih dahulu mengenai tekanan air pori negatif di posting yang lalu. Ini penting agar kita bisa membayangkan fenomena apa yang sesungguhnya memicu munculnya tekanan air pori negatif ini. Di posting tersebut, sudah dijelaskan bahwa tekanan air pori negatif dikontribusi oleh dua faktor berikut: (1) matric suction (dari aksi kapiler) dan/atau (2) osmotic suction (dari proses osmosis).

Adanya tekanan air pori negatif membuat tanah seolah-olah memiliki kohesi tambahan yang tentu saja memberi ekstra tambahan kekuatan. Kontribusi tekanan air pori negatif ini sering tidak disadari misalnya saat menguji undisturbed sample di uji tekan tak terkekang.

Siklus hidrologi di vadose zone (warna orange)

Perlu diketahui bahwa istilah unsaturated soils ini digunakan untuk membedakannya dengan studi saturated soils yang secara umum sudah established di bidang ilmu mekanika tanah.

Menurut D.G. Fredlund, salah satu pionir studi unsaturated soils, meskipun riset unsaturated soils sudah diinisiasi sejak tahun 50an di Imperial College (London) dan perilakunya secara umum juga sudah dipahami dengan baik pada dekade tahun 70-80an, namun baru pada 10-20 tahun terakhir hasil studi unsaturated soils ini secara bertahap memasuki tahap implementasi.

Bersama dengan H. Rahardjo, seorang insinyur sipil yang menyelesaikan S1-nya di ITB, D.G. Fredlund menulis buku teks unsaturated soil mechanics yang edisi terakhirnya dipublikasikan di tahun 2012 yang lalu. Buku jumbo ini (bukan oksimoron, ha3) adalah salah satu panduan wajib untuk yang serius ingin mengetahui soal unsaturated soils.

Matric suction vs kohesi

Sebelum membahas lebih jauh mengenai properti unsaturated soils, mungkin banyak yang masih bingung membedakan antara matric suction yang dihasilkan dari aksi kapiler dengan kohesi tanah pada tanah lempuung.

Keduanya memberikan efek yang sama, yaitu memberikan kontribusi kekuatan pada tanah. Namun secara fisik, keduanya berbeda !!

Bagaimana membedakannya? Gampang, untuk menjawab pertanyaan ini, kita lihat salah satu material yang seringkali kita katakan tidak memiliki kohesi, yaitu pasir !!

Gundukan pasir

Pasir apapun, bila tingkat saturasinya rendah, bila kita tuang pada suatu bidang, pasti akan membentuk gundukan seperti gambar diatas dengan sudut kemiringan yang dekat dengan sudut keruntuhan kritis dari pasir tersebut.

Sekarang bandingkan dengan gambar dibawah ini !! Yak, istana pasir. Bila kita basahkan pasir, maka pasir bisa cukup kuat menopang dirinya sendiri dan tidak runtuh menjadi gundukan seperti gambar sebelumnya.

Istana pasir (sumber)

Apakah ini artinya pasir memiliki kohesi pada kondisi unsaturated? Serupa, tapi kekuatan tambahan ini sesungguhnya dihasilkan oleh matric suction. Buktinya, bila diuji di uji triaxial consolidated-drained, pasir akan memiliki nilai kohesi nol.

Karena kekuatan geser dari pasir di kasus istana pasir diatas diperoleh dari matric suction akibat air yang terperangkap di jejaring pori pada pasir, maka semakin kecil ukuran jejaring pori di pasir, akan semakin kuat pula aksi kapiler yang dihasilkan.

Jadi cukup jelas bahwa kohesi dan matric suction adalah dua hal yang berbeda.

Namun ukuran jejaring pori (yang tergantung gradasi butiran) ini bukan satu-satunya faktor, faktor lain yang mempengaruhi adalah tingkat saturasi air itu sendiri, saya akan jabarkan di bagian berikut.

Nilai tegangan air pori di tanah tak-tersaturasi

Gambar dibawah ini menunjukkan profil tegangan air pori untuk bagian tanah yang tersaturasi dan tak-tersaturasi. Untuk tanah tersaturasi, nilainya tergantung dari tekanan hidrostatik air, yaitu nol pada muka air tanah dan akan bernilai positif untuk lapisan tanah dibawahnya.

Profil tegangan air pori

Sedangkan nilai dari tegangan air pori untuk tanah tak-tersaturasi sangat tergantung dari tingkat saturasi air. Semakin tinggi tingkat saturasi air didalam tanah, maka semakin rendah besaran dari matric suction-nya dan vice-versa.

Oleh sebab itu, tidak heran untuk daerah arid yang memiliki tingkat evaporasi tinggi, maka nilai matric-suctionnya menjadi tinggi. Sedangkan sebaliknya, untuk daerah yang memiliki curah hujan tinggi, infiltrasi air akan membuat nilai matric suction-nya mendekati nol.

Apakah ini berarti bahwa tanah yang memiliki matric-suction yang tinggi, yaitu tanah di daerah yang kering adalah tanah yang lebih baik?

Belum tentu !! Pertama, perlu diingat bahwa evaporasi langsung dari sinar matahari bukanlah satu-satunya penyebab terserapnya air dari dalam tanah!! Pohon-pohon besar juga menyerap air dalam jumlah besar melalui proses yang dikenal dengan nama evapotranspirasi.

Kedua, meski tanah tak-tersaturasi di daerah kering memiliki matric suction lebih besar, namun bila tanahnya adalah tanah ekspansif (tanah dengan plastisitas indeks tinggi), maka perbedaan volume basah dan keringnya sangat besar.

Pada tanah demikian, peristiwa penyusutan (shrinkage) volume tanah pada musim kemarau dan pengembangan (swelling) pada musim penghujan ini sangat mempengaruhi struktur (ex: jalan, bangunan) yang dibangun diatasnya.

Problem tanah ekspansif ini adalah salah satu pencetus dilakukannya riset mengenai tanah tak-tersaturasi.

Analisis tanah tak-tersaturasi, perlukah?

Setelah memahami mengenai matric suction, sekarang tentunya banyak yang bertanya-tanya apakah perlu kita melakukan analisis tanah tak-tersaturasi dengan memperhitungkan matric suction ini. Bukankah selama ini para ahli geoteknik sudah cukup berhasil tanpa menggunakan analisis tanah tak tersaturasi kan?

Pondasi dangkal diatas tanah lempung tak-tersaturasi

Untuk contoh pertama, saya akan ambil kasus pondasi dangkal yang dibangun diatas tanah lempung tak-tersaturasi. Untuk menganalisis kekuatan ultimit dari pondasi dangkal tersebut, kita tentunya perlu mengetahui properti tanah. Untuk tanah lempung, seringkali kita mengambil tanah undisturbed dari lapangan.

Tanah undisturbed tersebut kemudian diuji menggunakan uji tekan tak terkekang, untuk mendapatkan nilai kohesi short-term-nya. Properti tanah ini kemudian bisa digunakan untuk mengevaluasi nilai kapasitas ultimit pondasi dangkal, misalnya menggunakan formula daya dukung dari Terzaghi.

Hal yang tidak disadari disini adalah fakta bahwa untuk tanah tak-tersaturasi, sebagian dari nilai kohesi yang dihasilkan dari uji tekan tak terkekang tersebut sesungguhnya dikontribusi oleh matric suction dari tanah.

Adakah efeknya terhadap analisis daya dukung pondasi dangkal? Tentu saja!! Dengan mengambil nilai kohesi dari uji tekan tak terkekang untuk analisis daya dukung pondasi, ini berarti kita mengasumsikan bahwa tingkat saturasi tanah disepanjang tahun tidak berbeda jauh.

Mengetahui bahwa penambahan derajat saturasi, akan mengurangi kontribusi matric suction, ini berarti bahwa saat terjadi penambahan derajat saturasi, hasil analisis diatas bisa jadi belum tentu aman. Di pondasi dangkal, miskalkulasi ini bisa saja menyebabkan amblesnya pondasi.
Problem stabilitas lereng di tanah lempung tak tersaturasi

Contoh kedua adalah stabilitas lereng dari suatu tanah lempung tak-tersaturasi. Analisis pada umumnya memperhitungkan bahwa tegangan air pori diatas muka air tanah adalah nol. Mirip seperti contoh pertama, secara implisit juga dianggap bahwa nilai kohesi tanah tak-tersaturasi dianggap tidak berubah disepanjang tahun.

Pada kenyataannya, penambahan saturasi air di tanah tak tersaturasi yang bisa menyebabkan pengurangan matric suction tentu saja akan mempengaruhi faktor keamanan/stabilitas lereng. Ini sering menjadi penyebab longsor yang tidak diprediksi, terutama saat terjadi hujan lebat beberapa hari berturut-turut!!

Jadi, perlukah analisis tanah tak-tersaturasi? Tergantung kasus, untuk kasus-kasus seperti pondasi dangkal, mungkin cukup mudah mengakali daya dukung ultimitnya dengan menambahkan faktor keamanan. Namun untuk kasus stabilitas lereng, analisis yang memperhitungkan kondisi unsaturated penting dilakukan.