TANAH DAN BATUAN oleh: Dr. Ir. Hasbullah Nawir

SILABUS MATA KULIAH SI-2222 SEMESTER II TAHUN 2009/2010 Kode kuliah : SI-2222 (2 SKS) Nama kuliah : Pengantar Mekanika Tanah Dosen : Dr. Ir. Hasbullah Nawir, MT Jadwal kuliah : Jumat, 15.00-17.00 Jadwal UTS : antara 15 s/d 19 Maret 2010 Akhir perkuliahan : 7 Mei 2010 Jadwal UAS : antara 10 s/d 21 Mei 2010 Referensi : Principles of Geotechnical Engineering (Braja M. Das) Penilaian : UTS 45% (tentative) UAS 45% (tentative) Tugas 10% (tentative)

SILABUS MATA KULIAH SI-2222 SEMESTER II TAHUN 2008/2009 Tanah dan Batuan Komposisi Tanah Klasifikasi Tanah Konsep Tegangan Efektif Aliran Air Tanah Pertambahan Tegangan Penurunan Tanah Pemadatan Tanah

PEMBENTUKAN DEPOSIT TANAH PENDAHULUAN: Untuk maksud teknis tanah dapat didefinisikan sebagai "bahan yang belum terkonsolidasi di atas batuan padat (solid)". Tanah merupakan produk sampingan deposit akibat pelapukan batuan kerak bumi dan/atau batuan yang tersingkap dalam matriks tanah.

PEMBENTUKAN DEPOSIT TANAH BUMI: Secara teori bumi terbentuk sekitar 4,5 milyar tahun yang lalu dari suatu bola api berpijar yang terdiri dari gas kosmis dan debu angkasa luar. Mendinginnya massa ini membentuk atmosfer, hidrosfer, dan litosfer. Atmosfer adalah selubung gas yang mengelilingi hidrosfer atau zona air (seperti lautan, danau), dan litosfer, atau kerak bumi dan massa bagian dalam.

PEMBENTUKAN DEPOSIT TANAH Kerak bumi terdiri dari batuan dan batuan yang mengalami pelapukan (tanah) dan dianggap mempunyai tebal 10 sampai 15 kilometer atau lebih Unsur-unsur yang membentuk kerak bumi: Unsur Simbol % Berat % Volume Oksigen Silikon Aluminium Besi Magnesium Kalsium Sodium Potasium O Si Al Fe Mg Ca Na K 46.6 27.7 8.1 5.0 2.1 3.6 2.8 1.8 93.8 0.9 0.5 0.4 0.3 1.0 1.3

PEMBENTUKAN DEPOSIT TANAH Unsur-unsur di atas jarang yang berdiri sendiri dan biasanya terjadi dalam bentuk kombinasi yang disebut mineral: Mineral % perkiraan Felspar Ortoklas [K(Al)Si3O8] – merah jambu, putih, dan kelabu Plagioklas [Na(Al) Si3O8] – putih, kelabu, hijau, merah, dan dapat mengandung Ca sebagai ganti Na Kuarsa (SiO2, atau silikon dioksida) Mineral-mineral lempung dan mika Muskovit [K(Al2)SiO3Al(O10)(OH)2] – mineral berwarna terang Biotit [K2(Mg, Fe)6(SiAl)8O2(OH)4 – berwarna hitam, coklat, atau hijau Kalsit (sebagai CaCO3) atau dolomit [sebagai CaMg(CO3)2] 30 28 18 9 berlanjut

PEMBENTUKAN DEPOSIT TANAH lanjutan Mineral % perkiraan Oksida besi Hematit (Fe2O3) – bayangan merah Limonit (2Fe2O3 3H2O) – berbagai bayangan kuning Piroxin dan amfibol Piroxin – kalsium, magnesium, besi, dan aluminium silikat Amfibol (horn blende) – sodium, kalsium, magnesium, besi, dan aluminium silikat Lain-lain, meliputi Kaolinit (lempung) – hidro aluminium silikat [Al2Si2O5(OH)4] sebagai hasil sampingan utama pelapukan felspar Olivin (berwarna kehijauan) – magnesium, silikat besi [(MgFe)2SiO4] 4 1 10

SIKLUS BATUAN DAN TANAH Para ahli geologi mengklasifikasikan batuan dalam tiga kelompok dasar: Beku (igneous), Sedimen (sedimentary) Metamorf (metamorphic) Batuan merupakan campuran dari berbagai mireral dan senyawa, dan komposisinya sangat bervariasi. Batu-gamping (limestone) misalnya, terutama berupa kalsit, sedangkan granit mengandung felspar, kuarsa, dan magnesium besi dalam jumlah yang bervariasi. Tanah terbentuk akibat lapukan yang terjadi pada batuan Pada mulanya proses pelapukan terjadi pada batuan beku dan/atau deposit mineral yang tercurah yang terbentuk selama proses pendinginan batuan yang pijar tadi. Gravitasi melalui penggelinciran dan rangkak, yang menggerakkan air sebagai aliran permukaan, atau aksi dari angin dan es dapat mengangkut produk sampingan batuan lapuk ini ke lokasi yang baru, yang menghasilkan sedimen, atau deposit tanah yang ditransportasikan. Apabila gerakan kerak bumi ini mengakibatkan bertambahnya tekanan akibat berat tanah di atasnya dan panas lewat redaman energi dan lewat celah-celah di dalam kerak bumi yang memungkinkan magma cair mengalir, beberapa batuan sedimen (dan beberapa batuan beku) bermetamorfosa menjadi batuan metamorf. Gerakan kerak bumi selanjutnya telah menyingkapkan lagi batuan tersebut sehingga mengalami pelapukan kembali, dan dalam beberapa kasus yaitu pada kedalaman dan kondisi geologi yang sesuai, telah mengubah kembali batuan tadi menjadi magma cair, dan siklus tadi diulangi kembali.

SIKLUS BATUAN DAN TANAH Batuan beku Sedimen pasir, kerikil, lumpur Batuan sedimen Batuan meta-morf Panas, tekanan, larutan Kemungkinan mencairnya batuan dalam mencairnya batuan yang dalam panas, tekanan, & larutan pelapukan panas, tekanan, & larutan Erosi, pemadatan, & sementasi Erosi, & pelapukan

How Rocks Are Formed

How Sedimentary Rock Is Formed How Metamorphic Rock Is Formed How Igneous Rock Is Formed                                                                                                                                  For thousands, even millions of years, little pieces of our earth have been eroded broken down and worn away by wind and water. These little bits of our earth are washed downstream where they settle to the bottom of the rivers, lakes, and oceans. Layer after layer of eroded earth is deposited on top of each. These layers are pressed down more and more through time, until the bottom layers slowly turn into rock. Metamorphic rocks are rocks that have 'morphed' into another kind of rock. These rocks were once igneous or sedimentary rocks. How do sedimentary and igneous rocks change? The rocks are under tons and tons of pressure, which fosters heat build up, and this causes them to change. If you exam metamorphic rock samples closely, you'll discover how flattened some of the grains in the rock are. Igneous rocks are called fire rocks and are formed either underground or above ground. Underground, they are formed when the melted rock, called magma, deep within the earth becomes trapped in small pockets. As these pockets of magma cool slowly underground, the magma becomes igneous rocks. Igneous rocks are also formed when volcanoes erupt, causing the magma to rise above the earth's surface. When magma appears above the earth, it is called lava. Igneous rocks are formed as the lava cools above ground.

SIKLUS BATUAN DAN TANAH BATUAN BEKU (IGNEOUS ROCK): Batuan beku adalah batuan yang terbentuk akibat mendinginnya magma cair. Pada saat penyesuaian tegangan secara periodik mengakibatkan retakan dan patahan pada kerak batuan itu. Magma akan keluar melalui retakan dan patahan tersebut, baik hanya sebagian saja (menghasilkan mata air panas dan geiser untuk kondisi-kondisi tertentu) maupun seluruhnya sampai ke permukaan (membentuk gunung). Aliran yang terputus dan tidak sampai ke permukaan bumi akan mengalir ke dalam kerak bumi dan membentuk batuan intrusif atau batuan plutonik

SIKLUS BATUAN DAN TANAH BATUAN BEKU (IGNEOUS ROCK): Batuan beku diklasifikasikan menurut tekstur, komposisi, warna, dan sumbernya. Beberapa batuan beku adalah: Batuan kasar: Granit - warna terang Diorit – warna antara Gabro – warna gelap Batuan halus: Riolit – warna terang Basal – warna gelap Batuan lava: Obsidian – hitam dan berkilat Batu apung – ringan, berongga, berkilat Skoria – kemerahan sampai hitam, berongga

SIKLUS BATUAN DAN TANAH BATUAN BEKU: Batu apung

PEMBENTUKAN TANAH AKIBAT PELAPUKAN (WEATHERING) Pelapukan batu menghasilkan bahan dari mana batuan sedimen terbentuk dan menghasilkan tanah Pelapukan dapat bersifat mekanis/fisika atau kimiawi. Pelapukan Mekanis Pelapukan Kimiawi Pelapukan mekanis terjadi apabila batuan berubah menjadi fragmen yang lebih kecil tanpa terjadinya suatu perubahan kimiawi. Penyebab pelapukan mekanis: Pengaruh iklim (temperatur dan curah hujan) Eksfoliasi (exfoliation/pengupasan) Erosi oleh angin dan hujan Abrasi Kegiatan organic Pelapukan kimiawi meliputi perubahan mineral batuan menjadi senyawa mineral yang baru. Proses yang terjadi antara lain : Oksidasi Pelarutan (solution) Pelumeran (leaching) Hidrolisi Klasifikasi tanah menurut deposit pembentukannya: - tanah residu (residual soil) - tanah yang dipindahkan (transported soil)

PEMBENTUKAN TANAH AKIBAT PELAPUKAN Residual Soil: Transported soil: Terbentuk pada lokasinya yang sekarang melalui pelapukan batuan dasar Cenderung mempunyai karakteristik: Mengandung mineral yang telah mengalami pelapukan dari batuan dasar. Partikelnya cenderung berbentuk persegi atau agak persegi Ukuran butiran tidak terbatas, maksudnya kalau tanah tersebut diayak, maka partikel yang lolos saringan akan tergantung pada waktu dan energi yang dipakai saat proses pengayakan. Terbentuk dari pelapukan batuan di satu tempat dan sekarang dijumpai pada tempat yang lain Bahan pemindah antara lain: Air (alluvial soils) Gletser (glacial soils) Angin (aeolian soils) Gravitasi (colluvial soils) Danau (lacustrine soils) Laut (marine soil)

SIKLUS BATUAN DAN TANAH BATUAN SEDIMEN (SEDIMENTARY ROCK): Proses pelapukan akan mengurangi massa batuan menjadi partikel-partikel yang lebih mudah terangkat oleh angin, air, dan es. Apabila bahan tadi mengendap, maka ia disebut sedimen. Sedimen biasanya didepositkan lapis per lapis yang disebut lapisan (strata), dan apabila dipadatkan dan tersementasi menjadi satu akan membentuk batuan sedimen [proses ini disebut pembatuan (lithification)]. Batuan-batuan ini, yang paling banyak adalah serpih, batu-pasir, dan batu-gamping, merupakan 75 persen dari seluruh batuan yang tersingkap di permukaan bumi. Batuan sedimen diklasifikasikan atas: - batuan klastik (clastic)  Serpih, Batu pasir, mudstone, Konglomerat - kimiawi (chemical)  Batu gamping, Dolomit, Evaporit - biokimiawi/organic  Coquinq, Batu gamping karang, Kapur (chalk), Karang (koral) Batu bara (coal)

SIKLUS BATUAN DAN TANAH BATUAN SEDIMEN (SEDIMENTARY ROCK): Batuan sedimen diklasifikasikan atas: - batuan klastik (clastic)  Serpih, Batu pasir, mudstone, Konglomerat - kimiawi (chemical)  Batu gamping, Dolomit, Evaporit - biokimiawi/organic  Coquinq, Batu gamping karang, Kapur (chalk), Karang (koral) Batu bara (coal)

SIKLUS BATUAN DAN TANAH BATUAN METAMORF (METAMORPHIC ROCK): Batuan metamorf terjadi akibat proses metamorfosa suatu batuan sedimen melalui temperatur dan tekanan yang tinggi, atau batuan beku yang terbenam jauh di dalam tanah. Selama proses metamorfosa, batuan yang asli mengalami perubahan-perubahan kimiawi dan fisik yang mengubah tekstur, serta komposisi mineral dan kimiawinya. Penyusunan kembali mineral selama metamorfosa menghasilkan dua tekstur dasar batuan: terfoliasi (foliated) dan tidak terfoliasi (nonfoliated). Foliasi menghasilkan mineral batuan yang menjadi datar atau berbentuk pelat dan tersusun dalam jalur atau lapisan yang sejajar: Batuan terfoliasi : Batu tulis (sabak/slate), Sekis, Genes Batuan tak terfoliasi : Kuarsit, Marmer, Antrasit

GERAKAN KERAK BUMI Gerakan kerak bumi menghasilkan perubahan bentuk struktural yang disebut: - Lipatan (folds) - Patahan (faults) - Kekar (joint)

ALIRAN AIR DAN DEPOSIT ALUVIAL Air hujan yang jatuh ke daratan selanjutnya akan berjalan mengikuti salah satu dari sejumlah jalur gerak yang membentuk suatu siklus hidrologi Bagian yang menjalani jalur gerak suatu limpasan permukaan (runoff) akan menyebabkan erosi dan pemindahan (transportasi). Erosi dan transportasi tergantung pada kecepatan air yang bergerak dipengaruhi oleh 1. gradien 2. jumlah air yang melalui satu titik 3. keadaan sungai. Pada umumnya, gradien akan makin berkurang dari hulu sampai ke hilir. Hilir atau muara ini dapat berakhir pada sungai yang lain, sebuah danau, atau laut. Kecepatan akhir pada danau atau laut akan mendekati nol berdasarkan pertimbangan kontinuitas dan persamaan aliran

ALIRAN AIR DAN DEPOSIT ALUVIAL Karena bahan yang tererosi mengandung berbagai ukuran butir dan mempunyai derajat ketahanan yang berbeda-beda, maka tidak akan terdapat sungai yang benar-benar lurus, kecuali untuk jarak yang sangat pendek (biasanya kurang dari 10 kali lebar efektif saluran). Sumbu saluran (sungai) cenderung mengalir ke kiri dan ke kanan, atau disebut kelokan (meander). Dalam waktu geologi, ini biasanya akan menghasilkan lembah yang lebar di antara tebing-tebing batuan, dengan dasarnya terdiri dari tanah atau sedimen yang dipindahkan. Sedimentasi terjadi ketika kecepatan air yang bertambah kecil. Pada bagian dalam kelokan tidak dapat lagi mengangkut bahan-bahan yang dikandung oleh air. Bagian luar kelokan yang mempunyai kecepatan yang lebih tinggi akan menggerus tebing sungai, sehingga kelokan tadi akan bertambah

ALIRAN AIR DAN DEPOSIT ALUVIAL Erosi pada leher kelokan dapat menyebabkan terpotongnya kelokan itu, sehingga terdapat bagian yang melengkung dan terpisah yang disebut punuk sapi atau oxbow atau disebut juga tikungan tapal kuda (horse shoe bend). Oxbow ini dapat berupa daerah rawa (slough) apabila salah satu ujungnya tetap berhubungan dengan sungai, sehingga air-balik (backwater) akan menggenang. Danau oxbow terbentuk apabila oxbow tadi terisi penuh oleh air. Depresi ini kemudian dapat terisi oleh sedimen berbutir-halus, lumpur, dan bahan organik selama dan di antara banjir-banjir yang berturutan. Hasilnya adalah: Perubahan posisi sungai yang menerus dan lambat laun ini mengakibatkan seluruh dasar lembah akan terdiri dari aluvium atau sedimen. deposit tanah yang sangat buruk dan sangat plastis (batas cairnya sering sampai 60% hingga 100% atau lebih) deposit lanau, lempung berlanau, gambut organik

BATASAN TANAH UKURAN PARTIKEL Ukuran Butir (mm) Nama Insitusi Kerikil Pasir Lanau Lempung Massachusetts Institute of Technology (MIT) U. S. Department of Agriculture (USDA) American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) >2 76,2 - 2 2 – 0,06 2 – 0,05 2 – 0,075 0,06 – 0,002 0,05 – 0,002 0,075 – 0,002 <0,002 Unified Soil Classification System 76,2 – 4,75 4,75 – 0,075 <0,075

BATASAN TANAH UKURAN PARTIKEL

BATASAN TANAH UKURAN PARTIKEL ANALISIS MEKANIS TANAH: Analisis Ayakan : untuk partikel berdiameter > 0,075 mm. Analisis Hydrometer : untuk partikel berdiameter < 0,075 mm

ANALISIS AYAKAN No. Ayakan Lubang (mm) 4 4,750 50 0,300 6 3,350 60   No. Ayakan Lubang (mm) 4 4,750 50 0,300 6 3,350 60 0,250 8 2,630 80 0,180 10 2,000 100 0,150 16 1,180 140 0,106 20 0,850 170 0,088 30 0,600 200 0,075 40 0,425 270 0,053

ANALISIS AYAKAN B S Sieves B.S.:410-1962 ASTM Sieves ASTM E11-1961 IS Sieves IS: 460-1962 No saringan Ukuran lubang (mm) 2 in 1 ½ in ¾ in 3/8 in 3/16 in 6 8 12 14 16 25 30 36 44 60 72 85 100 120 170 200 350 50.80 38.10 19.05 9.52 4.76 2.80 2.00 1.40 1.20 1.00 0.600 0.500 0.420 0.355 0.250 0.210 0.180 0.150 0.125 0.090 0.075 0.045 4 7 10 18 35 40 45 70 80 325 19.00 9.51 2.83 1.41 1.19 0.595 0.354 0.177 0.149 0.088 0.074 0.044 50 mm 40 mm 20 mm 10 mm 4.75 mm 2.80 mm 2.00 mm 1.40 mm 1.18 mm 1.00 mm 600  500  425  355  250  212  180  150  125  90  75  45  50.00 40.00 20.00 10.00 4.75 1.18 0.425 0.212 ANALISIS AYAKAN

ANALISIS HIDROMETER Bekerja berdasarkan prinsip sedimentasi butiran tanah di dalam air yang ditentukan oleh kecepatan partikel tanah. Hukum Stokes  = kecepatan s = unit berat dari partikel tanah w = unit berat air  = viskositas air D = diameter partikel tanah L1 = jarak dari puncak atas labu ke titik pmbacaan L2 = panjang labu hidrometer = 14 cm VB = volume labu hidrometer = 67 cm3 A = Luas penampang tabung silinder = 27,8 cm2 ASTM 152H hydrometer (ASTM = American Society for Testing and Materials)

ANALISIS HIDROMETER Hukum Stokes Gs= specific gravity of soil solids Apabila satuan yang digunakan adalah g, cm, dan menit maka: Bila w dianggap  1 maka: K adalah fungsi dari Gs dan  yang bergantung pada temperatur air pada saat test.

ANALISIS HIDROMETER K adalah fungsi dari Gs dan  yang bergantung pada temperatur air pada saat test.

CONTOH ANALISIS AYAKAN Massa contoh tanah kering = 450 gram No. Ayakan Diameter (mm) Massa tertahan (g) Persen tertahan (%) Persen lolos 10 2.000 100.00 16 1.180 9.0 2.2 97.80 30 0.600 24.66 5.48 92.32 40 0.425 17.60 3.91 88.41 60 0.250 23.90 5.31 83.10 100 0.150 35.10 7.80 75.30 200 0.075 59.85 13.30 62.00 loyang - 278.99

KURVA DISTRIBUSI BUTIRAN Tanah A: - Kerikil (>4,75 mm) - Pasir (4,75 mm - 0,075 mm) - Lanau/lempung (<0,075 mm)   = 0% = 38% = 62%   Ukuran Efektif = D10 Koefisien keseragaman = Cu   Koefisien gradasi = Cc Cu dan Cc berguna untuk klasifikasi tanah berbutir kasar

KURVA DISTRIBUSI BUTIRAN Kurva I : gradasi buruk (purely graded)   Kurva II : gradasi baik (well graded) Kurva III : gradasi senjang (gap graded)   Ciri well graded:   Cc = 1 – 3 (kerikil dan pasir) Cu > 4 (kerikil)   Cu > 6 (pasir) Latihan soal 1.1

LATIHAN SOAL 1.1 No. Ayakan Diameter (mm) Massa tertahan (g) Persen tertahan (%) Persen lolos (%) 4 4.750 100 10 2.000 21.6 4.80 95.2 20 0.850 49.5 11 84.2 40 0.425 102.6 22.8 61.4 60 0.250 89.1 19.8 41.6 100 0.150 95.6 21.24 20.36 200 0.075 60.4 13.42 6.93 loyang - 31.2 6.93 450 100

LATIHAN SOAL 1.1

LATIHAN SOAL 1.1 D10 = 0.086 mm D30 = 0.200 mm D60 = 0.400 mm