Reka Racana © Jurusan Teknik Sipil Itenas | 2 Vol. 2 No. | Jurnal Online Institut Teknologi Nasional

## Pengaruh Floating Stone Column Dalam Perbaikan Tanah Pada Tanah Lempung Lunak Menggunakan Metode Elemen Hingga
ANHAR, RANGGA 1 , HAMDHAN, INDRA NOER 2 1 Mahasiswa, Jurusan Teknik Sipil, Institut Teknologi Nasional 2 Dosen, Jurusan Teknik Sipil, Institut Teknologi Nasional Email : rangganhar@gmail.com

## ABSTRAK
Tanah  lunak  umumnya  memiliki  daya  dukung  yang  rendah.  Apabila  ada pembebanan  konstruksi  melampaui  daya  dukung  kritisnya,  akan  terjadi penurunan  yang  drastis.  Maka  perlu  dilakukan  perbaikan  tanah  untuk meningkatkan daya dukung tanah tersebut. Pada analisis ini pemodelan dengan Stone Column dipilih sebagai metode perbaikan tanah. Pemodelan Stone Column yang  dilakukan  adalah  mengambang  (floating)  di  lapisan  tanah  lunak.  Dalam analisis ini menggunakan perhitungan numerik pada program PLAXIS 2D AE yang berbasis  metode  elemen  hingga.  Analisis  dengan  Floating  Stone  Column dilakukan  dengan  variasi  pemodelan  dan  variasi  kedalaman.  Variasi  konfigurasi yang  dilakukan  dengan  berbagai  tipe  yaitu  tipe  sejajar,  tipe  tangga  dan  tipe piramida.  Variasi  kedalaman  yang  dilakukan  yaitu  90%,  80%,  70%,  60%,  dan 50% dari kedalaman tanah lunak. Model floating stone column dipilih mana yang paling  effiesien  baik  dari  segi  hasil  maupun  segi  ekonomis.  Kondisi  S2  dipilih dengan nilai penurunan 0,158 m dengan dan waktu konsolidasi 62 hari. Kata Kunci: Floating Stone Column, Perbaikan Tanah, Tanah Lempung  Lunak, Metode Elemen Hingga.

## ABSTRACT
Soft  soil  generally  has  low  bearing  capacity.  Therefore  the  soft  soil  is  need  to improve  for  increase  the  bearing  capacity  of  soft  soil.  The  method  of  soil improvement that chosen in this analysis is stone column method. The model of Stone  Column  is  floating  in  soft  soil  layer.  PLAXIS  2D  AE  with  finite  element method are used in the numerical analysis. Analysis with Floating Stone Column were  done  by  variation  of  configuration  and  depths.  The  configurations  of floating stone column model are parallell type, stairs type and pyramid type. The depths variation of floating stone column are  90%, 80%, 70%, 60%, and 50% in soft soil layer. The model of stone column was selected which  most efficient model  in  term  both  of  result  and  ecomically.  S2  Condition  is  selected  that  the settlement is 0,158 m and the time of consolidation is 62 days. Key Words: Floating Stone Column, Soil Improvement, Soft Soil, Finite Element Method.

## 1. PENDAHULUAN
Tanah  lempung  lunak  memiliki  daya  dukung  rendah  terhadap  intensitas  beban.  Jika  ada pembebanan  melebihi  kemampuan  daya  dukung  tersebut,  maka  akan  terjadi settlement secara  signifikan.  Sebagai  salah  satu  alternatif  memenuhi  kebutuhan  pembangunan, berbagai  pembangunan  baru  terpaksa  harus  dilakukan  di  atas  tanah-tanah  yang  kurang memenuhi  syarat  atau  harus  didirikan  di  atas  tanah  lunak  yang  berdaya  dukung  rendah. Berbagai metode perbaikan tanah sudah sangat berkembang belakangan ini. Setiap metode perbaikan  tersebut  tentunya  harus  bertujuan  untuk  meningkatkan  kekuatan  dari  tanah, mengurangi  pemampatan  yang  mungkin  terjadi  dan  mengurangi  tingkat  permeabilitas  dari tanah. Pemilihan metode perbaikan tanah tersebut sangat tergantung dari kondisi geologis dari  tanah,  karakteristik  dari  tanah,  biaya  yang  dikeluarkan  untuk  perbaikan,  pengadaan bahan  perbaikan  tanah  serta  pengalaman  dalam  hal  pelaksanaan  di  lapangan.  Salah  satu cara  perbaikan  tanah  ialah  menggunakan stone  column.  Floating  stone  column  dipilih sebagai  metode  analisis  ini.  Program  PLAXIS  2D  AE  yang  berbasis  metode  elemen  hingga dilakukan sebagai perhitungan analisis ini.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 3.1 Umum
Tanah lempung lunak memiliki daya dukung rendah terhadap intensitas beban. Maka perlu dilakukan perbaikan tanah untuk meningkatkan daya dukung tanah tersebut. Salah satu cara perbaikan  tanah  ialah  penggunaan stone  column.  Floating  stone  column  dipilih  sebagai metode analisis ini yang bertujuan untuk pengefisiensian dari segi materi dan waktu.

## 3.2 Deskripsi Tanah Lempung
Lempung (clay), partikel mineral yang berukuran lebih kecil dari 0,002 mm. Partikel-partikel ini merupakan sumber utama dari kohesi pada tanah yang kohesif.

## a) Karakteristik Tanah Lempung
Tanah lempung merupakan tanah yang bersifat multi component yang terdiri dari tiga fase yaitu  padat,  cair  dan  udara.  Butiran-butiran  tanah  lempung  lunak  yang  berukuran  koliod (<0,002 mm) dan hanya dapat dilihat dengan miksroskop elektron.
Air sangat mempengaruhi kelakuan tanah kohesif. Karena karakteristik tanah lempung ialah berbutir  halus,  luas  permukaan  spesifik  menjadi  lebih  besar,  variasi  kadar  air  akan mempengaruhi plastisitas tanahnya. Distribusi ukuran butiran bukan merupakan faktor yang mempengaruhi kelakuan tanah butiran halus.

## b) Tanah Lempung Lunak
Tanah  lempung  lunak  merupakan  tanah  kohesif  yang  berarti  tanah  yang  mempunyai  sifat lekatan antara butir butirnya. Secara umum tanah lempung lunak memilik sifat tanah yang rendah.  Saat    kadar  air  yang  bertambah  atau  struktur  tanahnya  terganggu  maka  semakin berkurang kuat geser setelah tanah lempung tersebut. Sifat lapisan tanah lunak adalah gaya gesernya yang kecil, kemampatan yang besar, dan koefisien permeabilitas yang kecil.

## 3.3 Konsolidasi Tanah
Tanah  yang  mengalami  proses  konsolidasi  ialah  pengurangan  volume  air  di  dalam  rongga pori tanah sehingga permeabilitas tanah lempung yang rendah, perubahan volume tersebut berlangsung  lama  dan  merupakan  fungsi  dari  waktu.  Tekanan  akibat  beban  tersebut  ke tanah  selain  menyebabkan  kompresi  elastis  yang  menyebabkan  penurunan  segera
(immediately settlement), juga menyebabkan kelebihan tekanan air pori ekses (excess pore pressure).
Pada  proses  konsolidasi  ini  ada  dua  hal  yang  perlu  diamati,  ialah  laju  konsolidasi  dan besarnya  penurunan  yang  terjadi.  Laju  konsolidasi  dipengaruhi  oleh  permeabilitas  tanah, tebal  tanah  kompresibel,  waktu  pembebanan  bekerja,  serta  kondisi  drainase  di  atas  dan dibawah lapisan kompresibel. sedangkan besarnya penurunan yang akan terjadi ditentukan oleh  kompresibilitas  tanah  dan  besarnya  tambahan  beban  efektif,  serta  dipengaruhi  juga oleh tebal tanah kompresibel.
Berikut faktor yang mempengaruhi kecepatan konsolidasi:
a) Koefisien permeabilitas ( k)
b) Beban ( B)
c) Panjang lintasan drainase ( l)

## 3.4 Metode Perbaikan Tanah
Tanah lunak memiliki sifat mekanis  yang buruk dan tidak mampu memikul beban berlebih. Sifat tanah lunak ialah gaya gesernya yang kecil dan permeabilitas yang juga kecil. Prinsip dasar  perbaikan  tanah  pada  dasarnya  adalah  memperbaiki  karakteristik  mekanis  tanah. Sehingga floating stone column yang akan dipakai sebagai metode perbaikan tanah.

## a) Perbaikan Tanah Menggunakan Floating Stone Column
Pemasangan  stone  column  adalah  salah  satu  metode  perbaikan  tanah.  Fungsi  utama pemasangan  stone  column  adalah  untuk  meningkatkan  daya  dukung  tanah  yang  rendah sehingga tanah lunak tersebut dapat menerima beban yang lebih besar dan settlement yang terjadi akan berkurang.
Selain untuk meningkatkan daya dukung tanah, menurut Barksdale dan Banchus, 1982 ada beberapa keuntungan lain, seperti :
 Mengurangi total settlement tanah.
 Memperpendek waktu konsolidasi.
 Mengurangi bahaya liquefaction.
Stone  column  merupakan  kolom-kolom  vertikal  dari  batu  kerikil.  Batu  kerikil  tersebut merupakan kerikil lepas yang tidak diikat oleh bahan pengikat semen atau bahan lainnya.

## b) Perencanaan Floating Stone Column
Perencanaan  floating  stone  column  meliputi  perencanaan  diameter,  jarak,  dan  panjang floating stone column. Floating stone column group dipilih sebagai parameter perencanaan ini.  Selain  itu,  parameter  lain  dalam  perencanaan  ini  meliputi  nilai  penurunan  dan  waktu konsolidasi  yang  terjadi  sebelum    dipasang floating  stone  column  dan  setelah  dipasang floating stone column.
Berikut hal-hal yang harus diperhitungkan, antara lain:
 Diameter floating stone column
 Panjang dan jarak floating stone column
 Area replacement ratio
 Konsentrasi tegangan
Pada pemodelan perbaikan tanah menggunakan stone column dapat menemukan berbagai masalah.  Kegagalan  dalam  desain  ataupun  kesalahan  dalam  menetapkan  parameter- parameter tanah merupakan masalah yang akan ditemui dalam perencanaan stone column.
Untuk  menghindari  masalah  dalam  perencanaan stone  column,  program  PLAXIS  2D  AE digunakan  karena  berbasis  metode  elemen  hingga.  Metode  plane  strain  dipilih  sebagai alternatif pemodelan Axisymmetric (3D) menjadi Plane Strain (2D) pada program PLAXIS 2D AE.
Berbagai  teori  mengenai  konversi  satuan  dari  axisymmetri  ke  plane  strain,  namun  pada analisis  yang  akan  dilakukan  hanya  menggunakan  metode  Indraratna  dan  Redana  (1997). Menurut  Indraratna  dan  Redana  (1997)  memerlukan  ekuivalensi  hubungan  antara  area replacement  ratio  dari  axisymmetri  terhadap  plane  strain.  Berikut  persamaan  yang  akan digunakan:
............................................... (1)
Dimana hubungan antara R dan B diekivalensikan sebagai total area untuk pola plane strain (Barron 1948):
R = 1,13 B ............................................... (2) Keterangan: r c = jari – jari column ( Axisymmetric) R = daerah aliran ( Axisymmetric) b c = jari – jari column ( Plane Strain) B = daerah aliran ( Plane Strain)
Gambar 1. Cross sections unit-cell terhadap stone column dan ekuivalensi plane strain. (Indraratna dan Redana, 1997)

## 3. METODE PENELITIAN

## 3.1 Pengumpulan Data
Proses analisis yang akan dilakukan pada tugas akhir ini dibutuhkan beberapa data sekunder yang  menunjang.  Data  yang  akan  digunakan  ialah  data  sekunder  berupa  parameter  tanah untuk  menentukan  kondisi  tiap  lapisan  tanah.  Data  yang  didapat  untuk  tugas  akhir  ini diperoleh dari Proyek Eastkal Supply Base, PT. Pelabuhan Penajam Banua Taka (PT. PPBT), desa  Gunung  Steleng,  Kabupaten  Penajam  Paser  Utara,  Kalimantan  Timur.  Selain  itu,  data floating  stone  column  didapatkan  dari  buku,  papers,  dan  referensian  yang  menyangkut
dengan floating  stone  column.  Prosedur  analisis  yang  dilakukan  ditunjukan  dengan  bagan alir pada Gambar 2 .
Mulai Studi Pustaka Pengumpulan Data Data Tanah (Lapangan dan Laboratorium) Data Floating Stone Column sebagai
Metode Perbaikan
Tanah Menentukan Parameter Tanah: Kedalaman, Tebal Lapisan dan Jenis Tanah Menentukan Parameter Floating Stone Column Perumusan Masalah Pemodelan Pengaruh Floating Stone Column pada Tanah Lempung Lunak  menggunakan PLAXIS 2D AE Pemodelan Tanpa Floating Stone Column Pemodelan Menggunakan Floating Stone Column Besar Dan Waktu Penurunan yang Terjadi Pembahasan Kesimpulan Selesai Memvariasikan Tinggi dan Model Kedalaman Floating Stone Column Model Floating Stone
Column Tipe Sejajar Model Floating Stone Column Tipe Tangga
Model Floating Stone Column Tipe Piramida Pemodelan Menggunakan Stone Column Full Penetration
Gambar 2. Bagan Alir Pemodelan Perbaikan Tanah dengan Floating Stone Column pada Tanah Lempung Lunak Menggunakan Program PLAXIS 2D AE.

## 4. ANALISIS DATA

## 4.1 Analisis Menggunakan Program PLAXIS 2D AE
Analisis  Perbaikan  Tanah  dengan Floating  Stone  Column  pada  Tanah  Lempung  Lunak Menggunakan  Program  PLAXIS  2D  AE.  yang  berbasis  metode  elemen  hingga.  Berikut parameter-parameter yang digunakan dalam pemodelan floating stone column :
Tabel 1. Parameter Tanah Asli Jenis Tanah (kN/m 3 ) (kN/m 3 ) ʋ E’ (kN/m 2 ) c (kN/m 2 ) φ (°) k h =k v (m/day) Lempung lunak 17 16 0,3 1500 12,5 1 4,37184E-3 Tabel 2. Parameter Tanah Timbunan Jenis Tanah (kN/m 3 ) (kN/m 3 ) ʋ E’ (kN/m 2 ) c (kN/m 2 ) φ (°) k h =k v (m/day) Selimut Pasir 17 16 0,3 20000 5 39,5 7,128 Tumbunan 20 19 0,3 40000 20 25 0,6 Tabel 3. Parameter Stone Column Jenis Tanah D (m) Jarak S C (m) (kN/m 3 ) (kN/m 3 ) ʋ E’ (kN/m 2 ) c (kN/m 2 ) φ (°) k h =k v (m/day) Stone Column 1 2 21 20 0,2 45000 5 42 7,128

## 4.2 Analisis Pemodelan Floating Stone Column
Analisis floating stone column dilakukan dengan menggunakan Program Plaxis  2D AE yang berbasis  Elemen  Hingga  atau Finite  Element  Method    (FEM).  Output  yang  dihasilkan  dari analisis floating stone column ini, yaitu nilai penurunan dan waktu penurunan yang terjadi.
Pada analisis ini dilakukan dengan berbagai pemodelan instalasi floating stone column, yaitu tipe sejajar  ialah ketika kondisi kedalaman floating stone column adalah sama,  tipe tangga ialah  ketika  kondisi  kedalaman floating  stone  column  berjajar  menyerupai  tangga  dengan selisih kedalaman 1 m, tipe piramida adalah ketika kondisi kedalaman floating stone column berjajar menyerupai piramida dengan selisih kedalaman  1 m dan 2 m.

## a) Analisis Pemodelan Floating Stone Column Tipe Sejajar
Pada  pemodelan floating  stone  column yang  pertama,  akan  dilakukan  menggunakan    tipe sejajar. Analisis tipe sejajar dengan variasi kedalaman floating stone column menggunakan berbagai kondisi, berikut yang disajikan pada Tabel 4.
Tabel 4. Hasil Pemodelan Floating Stone Column Tipe Sejajar Tipe Sejajar Kondisi  Penurunan (m)  Waktu (hari) Tanpa Stone Column 0,277 2194 Kedalaman 50% S5 0,227 97 Kedalaman 60% S4 0,207 92 Kedalaman 70% S3 0,182 75 Kedalaman 80% S2 0,158 62 Kedalaman 90% S1 0,135 52 Full Penetration 0,094 49
Nilai penurunan dan waktu konsolidasi pun dibuat dalam bentuk grafik yang disajikan pada Gambar 3 .
Gambar 3. Grafik nilai penurunan dan waktu penurunan tipe sejajar.
Selain  nilai  penurunan  dan  waktu  konsolidasi,  adapaun  nilai  tegangan  air  pori  ekses  yang disajikan ke dalam grafik pada Gambar 4 .
Gambar 4. Grafik tekanan air pori ekses tipe sejajar dengan tanpa stone column.
Pada  gambar  diatas menunjukan  bahwa  kondisi  tekanan  air  pori  naik  saat  diberi pembebanan dan turun kembali saat terjadi konsolidasi.

## b) Analisis Pemodelan Floating Stone Column Tipe Tangga
Pada pemodelan floating stone column berikutnya, akan dilakukan pemodelan  tipe tangga. Analisis tipe sejajar dengan variasi kedalaman floating stone column menggunakan berbagai kondisi, berikut yang disajikan pada Tabel 5 .
Tabel 5. Hasil Pemodelan Floating Stone Column Tipe Tangga Tipe Sejajar Kondisi  Penurunan (m)  Waktu (hari) Tanpa Stone Column 0,277 2194 Tiga Kombinasi kedalaman Kedalaman 70%, 60%, 50% T3.4 0,211 92 Kedalaman 80%, 70%, 60% T3.3 0,187 75 Kedalaman  90%, 80%, 70% T3.2 0,163 66 Kedalaman  100%, 90%, 80% T3.1 0,124 55 Empat kombinasi kedalaman Kedalaman 80%, 70%, 60%, 50% T4.3 0,200 84 Kedalaman 90%, 80%, 70%, 60% T4.2 0,178 69 Kedalaman  100%, 90%, 80%, 70% T4.1 0,143 64 Full Penetration 0,094 49
Gambar 5. Grafik nilai penurunan dan waktu penurunan tipe tangga dengan tiga kombinasi kedalaman
Selain  nilai  penurunan  dan  waktu  konsolidasi,  adapaun  nilai  tegangan  air  pori  ekses  yang disajikan ke dalam grafik pada Gambar 6 .
Gambar 6. Grafik nilai penurunan dan waktu penurunan tipe tangga dengan empat kombinasi kedalaman
Gambar 7. Grafik tekanan air pori ekses tipe tangga dengan tanpa stone column.
Pada  gambar  diatas menunjukan  bahwa  kondisi  tekanan  air  pori  naik  saat  diberi pembebanan dan turun kembali saat terjadi konsolidasi.

## c) Analisis Pemodelan Floating Stone Column Tipe Piramida
Pemodelan    terakhir  dilakukan  dengan  menggunakan floating  stone  column  tipe  piramida. Analisis tipe tangga dengan variasi kedalaman floating stone column menggunakan berbagai kondisi, berikut yang disajikan pada Tabel 6 .
Tabel 6. Hasil Pemodelan Floating Stone Column Tipe Piramida Tipe Sejajar Kondisi  Penurunan (m)  Waktu (hari) Tanpa Stone Column 0,277 2194 Kedalaman 70%, 60%, 50% P4 0,218 88 Kedalaman 80%, 70%, 60% P3 0,191 74 Kedalaman  90%, 80%, 70% P2 0,163 62 Kedalaman  100%, 90%, 80% P1 0,127 57 Full Penetration 0,094 49
Gambar 8. Grafik nilai penurunan dan waktu penurunan tipe piramida.
Selain  nilai  penurunan  dan  waktu  konsolidasi,  adapaun  nilai  tegangan  air  pori  ekses  yang disajikan ke dalam grafik pada Gambar 8 .
Sedangkan  pada Gambar.9 menunjukan  bahwa  kondisi  tekanan  air  pori  naik  saat  diberi pembebanan dan turun kembali saat terjadi konsolidasi.
Gambar 9. Grafik tekanan air pori ekses tipe piramida dengan tanpa stone column.

## 5. KESIMPULAN
Setelah  dilakukan  pemodelan  dan  analisis  menggunakan  program  PLAXIS  2D  AE,  maka dihasilkan nilai penurunan dan waktu penurunan. Model floating stone column dipilih mana yang  paling  effiesien  baik  dari  segi  hasil  maupun  segi  ekonomis.  Dari  tiga  tipe  pemodalan yang dilakukan yang pertama adalah tipe sejajar dipilih kondisi S2 dipilih sebagai yang paling effisien karena mendekati hasil dari kondisi S1. Kedua, tipe tangga dipilih kondisi T4.1 dinilai sebagai yang effisien karena hasil kondisi T4.1 berada diantara kondisi T3.1 dan T3.2 dimana kondisi-kondisi  tersebut  memiliki  hasil  tiga  terbaik.  Ketiga  pada  tipe  piramida,  kondisi  P2 dipilih  sebagai  yang  effisien  karena  hasilnya  diantara  kondisi  terbaik  dan  kondisi  terburuk. Diantara  ketiga  kondisi  terbaik  antar  berbagai  tipe,  kondisi  S2  dipilih  karena  memiliki  nilai penurunan  terendah  0,158  m  dengan  persentase  43%  dan  waktu  konsolidasi  tercepat  62 hari dengan persentase 2,8%.

## DAFTAR PUSTAKA
Das, Braja M., 1985 Principle of Geotechnical Engineering FHWA-NHI 132034 Ground Improvement Techniques FHWA/RD-83/026 Design and Construction of Stone Column Vol. I (1983) FHWA/RD-83/027 Design and Construction of Stone Column Vol. II (1983)
Indraratna, B., and Redana, I. W. 1997 “Plane-strain modeling of smear effects associated with vertical drains.” J. Geotech. Geoenviron. Eng., 123_5_, 474–478.
Indra  Nurtjahjaningtyas,  Akh.  Maliki  2009  Efektifitas  Penggunaan  Stone  Column  Untuk Mengurangi Besar Pemampatan Pada Tanah Dengan Daya Dukung Rendah
S., Tan A., 2008 Simplified Plane-Strain Modeling of Stone-Column Reinforced Ground Weber, T.M. and Springman, S.M. :Numerical modelling of stone columns in soft clay under an embankment