## Pengaruh Perbedaan Elevasi Muka Air Tanah Pada Pondasi Telapak Berdasarkan Studi Numerik
Aminullah 1 , Miftahul Iman 2
1 Teknik Pertambangan, Politeknik Islam Syekh Salman Al Farisi Rantau, Banjarmasin
2 Program Studi Teknik Sipil, FT UBT, Tarakan E-mail: 1 anmifal@yahoo.com
Received 25 April 2019; Reviewed 27 April 2019; Accepted 30 Mei 2019 http://jurnal.borneo.ac.id/index.php/borneoengineering

## Abstract
The south Kalimantan Province has various soil characteristic, the difference of ground water level included    .  Experimental  modeling  of  foot  plate  foundations  in  various  ground  water  level  is  too difficult to be performed. There were so many variables that need to be evaluated in the modeling. The numerical model was based on finite element method such in Abaqus allowed the modeling of foot  plate  foundations  with  the  various  of  ground  water  level.  This  study  modeled  the  foot  plate foundation structure where located on various ground water level by giving variations of the effect of water level to the elevation of the foundation. Water level variations are determined successively below  the  foundation  elevation,  the  same  as  the  foundation  elevation  and  above  the  foundation elevation.  The  analysis  performed  is  static  structure  analysis  with  idealization  of  2D  shell idealization.  The  result  of  the  research  showed  that  the  ground  water  level  effect  the  stress  and deformation of soil closed to foundation elevation. The stress had been evaluated at the base of the foundation for each ground water level difference correspondently 16,53 MPa, 9.34 MPa and 3.59 MPa.  The  lowest  stresses  was  occured  in  ground  water  elevation  above  the  foundation  elevation (78.28%).
Keywords: peat, soil, foundation, foot plate, model

## Abstrak
Provinsi Kalimantan Selatan memiliki berbagai jenis karakteristik tanah, termasuk perbedaan level muka air tanah. Pemodelan eksperimental fondasi telapak di berbagai permukaan air tanah terlalu sulit  untuk  dilakukan.  Ada  begitu  banyak  variabel  yang  perlu  dievaluasi  dalam  pemodelan. Pemodelan numerik berdasarkanmetode elemen hingga seperti halnya Abaqus memungkinkan untuk melakukan  pemodelan  pondasi  telapak  dengan  berbagai  variasi  kedudukan  muka  air  tanah. Penelitian ini memodelkan struktur pondasi telapak yang terletak di berbagai permukaan air tanah dengan  memberikan  variasi  pengaruh  elevasi  muka  air  tanah  terhadap  elevasi  pondasi.  Variasi ketinggian air ditentukan berturut-turut di bawah ketinggian pondasi, sama dengan elevasi pondasi dan di atas elevasi pondasi. Analisis yang dilakukan adalah analisis struktur statis dengan idealisasi idealisasi cangkang 2D. Hasil penelitian menunjukkan bahwa muka air tanah berpengaruh terhadap tegangan  dan  deformasi tanah  yang  mendekati  ketinggian  pondasi.  Tegangan  telah  dievaluasi  di dasar pondasi untuk setiap perbedaan ketinggian air tanah secara berurutan 16,53 MPa, 9,34 MPa dan  3,59  MPa.  Tegangan  terendah  terjadi  pada  ketinggian  air  tanah  di  atas  ketinggian  pondasi (78,28%).
Kata kunci : gambut, tanah, fondasi, telapak, model

## 1. Pendahuluan
Provinsi Kalimantan Selatan memiliki berbagai jenis karakteristik tanah. Sebagian bear tanah juga memiliki variasi kedudukan muka air tanah. Pemodelan eksperimental fondasi telapak dengan variasi elevasi muka air tanah relatif sulit untuk dilakukan. Hal ini disebabkan oleh begitu banyak variabel yang perlu dievaluasi dalam pemodelan.
Pemodelan numerik dapat menjadi salah satu upaya untuk mendapatkan hasil yang optimal dengan biaya yang relatif lebih ekonomis. Pemodelan numerik berdasarkan metode elemen hingga seperti Abaqus sangat memungkinkan untuk memodelkan fondasi telapak  mengikuti kondisi tanah dengan berbagai  macam  kedudukan  (elevasi)  muka  air  tanah.  Ketersediaan  fitur  kriteria  tegangan  dalam aplikasi ini memungkinkan pemodelan fondasi telapak di atas tanah dengan kondisi muka air tanah yang bervariasi dapat dilakukan secara optimal.
Braja (1985) menjelaskan bahwa fungsi utama pondasi adalah untuk meneruskan beban konstruksi ke lapisan tanah di bawah pondasi. Fondasi pelat kaki adalah salah satu dari jenis pondasi dangkal. Braja  (1985)  juga  menjelaskan  bahwa  daya  dukung  tanah  pondasi  telapak  dikatakan  aman  jika penyelesaiannya masih dapat dibenarkan dan keruntuhan tanah di bawah pondasi tidak terjadi.
Terzaqhy (1996) memberikan persamaan kapasitas daya dukung tanah dengan melibatkan parameter parameter N c , N q ,  dan N  yang  disebut  faktor  daya  dukung  (Gambar  3).  Persamaan  ini  juga memperhitungkan pengaruh volume berat tanah, kohesi, dan beban eksternal.
q u = 1,3 cN c + qN q +0,4 γBN γ (1) dengan q u , c , q ,  , dan B masing-masing adalah daya dukung tanah ultimit, kohesi, berat tanah pada fondasi setiap unit panjang, volume berat tanah, dan lebar fondasi. Persamaan 1 adalah persamaan daya dukung untuk fondasi pelat kaki persegi.
γ e = (2 H – d w )( d w / H 2 ) γ wet +( γ’ / H 2 )( H - d w ) 2 (2)
Strömblad  (2014)  meneliti  perilaku  mekanik  struktur  yang  bersentuhan  dengan  tanah.  Perilaku tersebut dipengaruhi oleh interaksi antara tanah dan struktur. Interaksi ini disebut Interaksi Tanah- Struktur  (SSI).  Studi  ini  menjelaskan  bahwa  beberapa  struktur  di  mana  SSI  penting  untuk dipertimbangkan terutama pada bangunan, jembatan dan konstruksi pengeboran minyak. Penelitian ini juga  menggunakan  metode  elemen  hingga  untuk memodelkan  perilaku tanah  sebagai  mata  air nonlinier. Pemodelan menggunakan aplikasi numerik berbasis FEM Abaqus / CAE untuk tiga jenis komposisi  tanah.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  dalam  kasus  beban  statis  kedua  model menunjukkan  hasil  yang  sama  tetapi,  dengan  beberapa  catatan  tentang  komposisi  tanah  dan  sifat material  tanah  itu  sendiri.  Pemodelan  kontinum  tanah  lebih  kompleks  dengan  perhitungan  yang relatif mahal dibandingkan dengan pemodelan pegas nonlinier.
Straughan  (1990)  telah  melakukan  penelitian  yang  mengembangkan  tiga  parameter  model matematika  untuk  analisis  pelat  pada  fondasi  elastis.  Semua  persamaan  yang  terlibat  dijelaskan secara  bertahap.  Tahapan  analisis  dilakukan  menggunakan  program  komputer.  Penelitian  ini menghasilkan  parameter  ketiga  (  )  dengan  menentukan  nilai k dan  mengabaikan  parameter  geser tanah untuk menghasilkan bentuk deformasi dari kontinum tanah.
Chiroux dkk (2005) telah melakukan penelitian tentang kontak dan interaksi antara roda dan tanah saat bergerak. Penelitian ini memodelkan roda yang bergerak dengan model regangan bidang dan
menunjukkan  hasil  yang  stabil.  Hasil  penelitian ini  terdiri dari tiga  output  utama.  Pertama  adalah bagaimana  memodelkan  beban  dinamis  pada  roda  dan  menggerakkan  pembatasan  perpindahan. Kedua,  menunjukkan  kemampuan  model  secara  akurat  dengan  aplikasi  di  mana  terdapat  aplikasi teknik komputer di dalamnya. Hal tersebut menghasilkan perbandingan antara analisis dinamis dan analisis  statis  dalam  menentukan time  history roda  dan  interaksi  tanah  yang  dimodelkan  dalam masalah perilaku dinamis.
Penelitian  ini  memodelkan  perilaku  numerik  dari  pondasi  telapak  dengan  kondisi  tanah  yang bervariasi. Variasi lapisan tanah ditentukan oleh variasi elevasi muka air tanah. Pondasi telapak telah dimodelkan dalam idealisasi cangkang 2D. Pemodelan tanah juga telah dimodelkan berturut-turut dalam cangkang 2D ( plane strain )

## 2. Metode Penelitian
Penelitian  ini  memodelkan  struktur  pondasi  telapak  yang  terletak  di  tanah  dengan  variasi  elevasi muka air tanah. Semua data geometrik dan material diperoleh dari data lapangan. Pemodelan telah dilakukan dalam tiga model, yaitu, muka air tanah terletak di bawah elevasi fondasi, muka air tanah terletak pada elevasi dasar fondasi dan muka air tanah terletak di atas elevasi fondasi. Analisis yang dilakukan adalah analisis struktur statis dengan model cangkang 2D.

## Gambar 1. Prototipe fondasi telapak
Gambar  1.  menunjukkan  prototipe  pondasi  pelat  kaki  yang  akan  dimodelkan.  Penelitian  ini menggunakan  pelat  kaki  1500  mm  x  1500  mm.  Skala  model  telah  ditentukan  1:  1.  Variasi  yang ditentukan dalam model ini adalah variasi ketinggian permukaan air. Berturut-turut pada ketinggian di bawah fondasi, pada ketinggian pondasi pondasi, dan di atas permukaan pondasi.
Tabel 1 . Dimension
SECTION DIMENSI ON B (mm) L (mm) D f (mm) Foot plate 1500 1500 400 Concrete column 400 400 900 Tanah 1 2500 2500 1950 Tanah 2 2500 2500 1000
Tinggi tanah pondasi sekarang Tinggi tanah pondasi kelak D f D' f D
Tabel 1 menunjukkan data geometris dari struktur yang dimodelkan dalam penelitian ini. Dimensi struktur telah dinyatakan berturut-turut ( A ), lebar ( B ), panjang ( L ), ketebalan struktur ( D f ). Semua dimensi dinyatakan dalam milimeter,
Tabel 2 . Sifat material SECTIO N MATERIAL PROPERTIES  (N/mm 3 ) E (MPa)  Foot plate 2,35E-5 23500 0,2 Concrete column 2,35E-5 23500 0,2 Tanah 1 16,48 2574 0,45 Tanah 2 8,91 2 0,35
Data material dari model struktur terdiri dari data modulus elastis ( E ) dan rasio Poisson (  ). Seluruh data  material  diperoleh  berdasarkan  hasil  tabel  pengukuran  standar.  Koefisien  dan  parameter kapasitas  daya  dukung  tanah  dapat  dilihat  pada  Tabel  2  dan  Gambar  3.  Semua  koefisien  telah ditentukan berdasarkan hasil penelitian Terzaqhy.

## 2.1 Pemodelan numerik

## 2.1.1. Muka air tanah di bawah fondasi
Pemodelan  stuktur  fondasi  dengan  muka  air  tanah  terletak  di  bawah  fondasi  menggunakan prototipe fondasi telapak sebagaimana yang ditunjukkan oleh Gambar 4.

## Gambar 2. Muka air tanah di bawah fondasi
Gambar 2 menunjukkan bahwa terdapat muka air tanah pada kedalaman 1950 mm. Dimensi fondasi telapak diketahui 1500 mm x 1500 mm. Kedalaman fondasi diketahui 1100 mm dari muka tanah. Tebal fondasi ditentukan 400 mm. Berat volume beton (  beton ) = 2,4 T/m 3 dengan rasio Poisson ( v ) = 0,2.
Propertis tanah 1 adalah berat volume tanah basah (  basah ) = 1,81 T/m 3 , sudut geser tanah (  tr ) = 35 0 , kohesi tanah (c) = 0 T/m 2 . Lapisan tanah 2 adalah lapisan tanah kenyang air ( saturated soil ). Propertis lapisan tanah 2 berturut-turut adalah  sat = 2,03 T/m 3 dan  e = 1,68 T/m 3 .
Gambar 3. Muka air tanah di bawah fondasi (Model 1)
Gambar  3.  Menunjukkan  pemodelan  fondasi  dengan  elemen  cangkang  2D  pada  Abaqus.  Elevasi muka air tanah terletakdi bawah elevasi fondasi yaitu pada kedalaman -1950 mm dari elevasi muka tanah. Pemodelan elemen pada fondasi menggunakan model plane stress sementara pada pemodelan tanah menggunakan model plane strain.
Gambar 3 juga menunjukkan model kondisi batas yang diberikan pada alas fondasi. Sistem dukungan alas fondasi telah diidealisasikan sebagai dukungan sendi.
Gambar 4 Pemodelan foot plate (shell 2D)
Gambar 4 menunjukkan gradasi meshing pada model 1. Elemen yang digunakan adalah kombinasi anatara elemen quadrilateral dan triangle shell yang  lebih didominasi oleh elemen quadrilateral . Lapisan  kedua  tanah  adalah  lapisan  tanah  kenyang  air  ( saturated  soil ).  Seluruh  elemen  yang digunakan pada model ini adalah linier dengan reduced integration .

## Gambar 5 Deformasi model 1
Gambar 5 menunjukkan deformasi footplate yang terjadi pada model 1. Model ini tidak melibatkan parameter konstanta pegas. Deformasi yang dihasilkan dari beban statis diteruskan oleh kolom beton 400 mm x 400 mm.
Gambar  5  juga  menunjukkan  kontur  tegangan  yang  terjadi  (tegangan  pada  cacat)  ketika  beban diterapkan.  Tekanan  terbesar  terjadi  pada  dasar  fondasi.  Model  belum  menunjukkan  deformasi signifikan yang terjadi di lapisan tanah. Kontak tanah (SCI) dalam model belum didefinisikan secara jelas.

## 2.1.2. Muka air tanah pada elevasi fondasi
Model ini menggunakan elevasi muka air tanah yang diletakkan sama dengan elevasi alas fondasi. Elevasi fondasi telah ditentukan sama dengan – 1100 mm dari elevasi muka tanah.

## Gambar 6. Muka air tanah pada elevasi fondasi (Model 2)
Gambar 6. Menunjukkan pemodelan pondasi telapak dengan elevasi muka air teletak pada elevasi fondasi (Model 2). Lapsan tanah kenyang air ( saturated soil ) berada pada elevasi fondasi (-1100 mm)
dengan  tebal lapisan  adalah  850  mm  (2 d f ).  Idealisasi tumpuan  pada  model ini juga  menggunakan idealisasi dukungan sederhana ( simply supported ).

## Gambar 7. Muka air tanah pada elevasi fondasi (Model 2)
Gambar 7 menunjukkan diskretisasi elemen quad-tetron shell elemen pada model 2 Seperti halnya pemodelan fondasi telapak model satu

## Gambar 8. Deformasi dan kontur tegangan (Model 2)
Gambar 8 menunjukkan deformasipada struktur fondasi telapak akbat beban gravity . Deformasi pada model 2  yang terjadi sama dengan deformasi yang terjadi pada model 1.
Gambar 8 juga menunjukkan kontur tegangan yang terjadi pada model 2. Tegangan yang terjadi pada alas  fondasi  model  2  relatif  lebih  besar  daripada  model  1.  Lapisan  tanah  dibawah  fondasi  tidak menunjukkan deformasi yang berarti seperti halnya yang terjadi pada model 1.

## 2.1.2. Muka air tanah di atas elevasi fondasi
Model 3 adalah model pondasi pelat kaki yang memiliki ketinggian air tanah di atas ketinggian fondasi. Ketinggian air tanah pada -400 mm ditentukan dari elevasi tanah. Lapisan tanah jenuh tanah berada di atas lapisan tanah basah dengan lapisan tebal 400 mm.
Gambar. 9. Model 3
Gambar 9 menunjukkan pemodelan struktur pondasi dengan ketinggian air tanah di atas ketinggian pondasi.  Seperti  dengan  dua  model  sebelumnya,  idealisasi  kondisi  batas  yang  digunakan  pada struktur pondasi sederhana didukung. Struktur pondasi diberi beban terpusat pada kedua nodal model kolom beton.
Gambar 10. M eshing model 3
Gambar 11 menunjukkan deformasi yang terjadi pada struktur pondasi pelat kaki model 3. Deformasi dalam  model  3  sama  dengan  deformasi  yang  terjadi  pada  kedua  model  sebelumnya.  Namun demikian, lapisan tanah di bawah fondasi menunjukkan deformasi yang relatif lebih besar dari dua model sebelumnya. Ini karena tambahan beban kelembaban tanah (tanah jenuh).

## 3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1.  Muka air tanah di bawah fondasi
Berdasarkan hasil numerik yang telah dibuat permukaan struktur pondasi dengan ketinggian muka air  tanah  yang  berada  di  bawah  ketinggian  pondasi  memiliki  tegangan  yang  relatif  lebih  kecil dibandingkan dua model lainnya.
Gambar 11. Kontur tegangan (Model 1)
Gambar. 11 menunjukkan bahwa lapisan tanah kenyang  tidak memiliki efek yang signifikan pada deformasi struktur pondasi pelat kaki. Ini ditunjukkan oleh tanah di bawah elevasi fondasi. Tegangan yang terjadi pada elevasi dasar pondasi adalah 16,53 Mpa.

## 3.1.2. Muka air tanah pada elevasi fondasi
Berdasarkan hasil numerik yang telah dilakukan muka struktur fondasi dengan muka air tanah yang terletak di bawah elevasi fondasi memiliki tegangan yang relatif lebih kecil daripada kedua model lainnya.

## Gambar 12. Muka air di elevasi fondasi (Model 2)
Gambar  12  menunjukkan  bahwa  lapisan  tanah  kenyang  air  tidak  memberikan  pengaruh  yang signifikan terhadap deformasi struktur fondasi telapak secara signifikan tetapi memberikan dampak yang cukup signifikan terhadap defrmasi tanah di bawah elevasi fondasi. Hal tersebut ditunjukkan dengan kontur tegangan tanah di bawah elevasi fondasi (Gambar 12). Tegangan yang terjadi pada elevasi dasar pondasi 3,59 Mpa.

## 3.1.3. Muka air tanah di atas permukaan fondasi
Gambar 13 menunjukan deformasi yang terjadi pada struktur fondasi telapak model 3. Deformasi pada  model  3  sama  dengan  deformasi  yang  terjadi  pada  kedua  model  sebelumnya.  Meskipun demikian  lapisan  tanah  yang  berada  di  bawah  fondasi  menunjukkan  deformasi  yang  relatif  lebih besar dari kedua model sebelumnya. Hal ini disebabkan oleh adanya beban tambahan dari lapisan tanah kenyang air ( saturated soil ).
Gambar 15. Kontur tegangan (Model 3)
Tegangan yang terjadi pada elevasi dasar pondasi untuk setiap perbedaan ketinggian muka air tanah adalah 9,34 Mpa. Tegangan terendah terjadi pada kondisi ketinggian air tanah yang terletak di atas ketinggian fondasi (78,28%).

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil pemodelan numerik maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut
1. Perbedaan  elevasi  muka  air  tanah  terhadap  elevasi  pondasi  mempengaruhi  deformasi  tanah secara signifikan.
2. Tegangan yang terjadi pada elevasi dasar pondasi untuk setiap perbedaan ketinggian muka air tanah adalah 16,53 MPa, 9,34 MPa dan 3,59 MPa
3. Tegangan  terendah  terjadi  pada  kondisi  ketinggian  air  tanah  yang  terletak  di  atas  ketinggian fondasi (78,28%).
4. Pemodelan  numerik  model  shell  2D  memberikan  hasil  yang  baik  untuk  peninjauan  struktur pondasi, tetapi tekanan pada lapisan tanah perlu dievaluasi dengan mempertimbangkan kondisi interaksi antara lapisan tanah.

## Ucapan Terima Kasih
Ucapan  terima  kasih  diberikan  kepada  Dr-Eng.  Fikri  Haris,  S.T.,  M.Eng  kepala  Laboratorium Komputer    Departemen  Teknik  Sipil  dan  Lingkungan  Universitas  Gadjah  Mada  atas  masukan pertimbangan terhadap parameter-parameter tanah yang dilibatkan dalam pemodelan numerik ini.

## Daftar Pustaka
R.C. Chiroux, W.A. Foster Jr., C.E. Jhonson, S.A. Shoop, R.L. Raper. 2005. Science Direct. 162 , 707-722
Braja M. Das. 1991. Mekanika Tanah , Erlangga, Indonesia
Karl  Terzaghy,  Ralph  B.  Peck,  Gholamreza  Mesri,  1996. Soil  Mechanic  in  Engineering  Practice Jhon Wiley and Son, New York
Strömblad  Nicholas.  2014. Modeling  of  Soil  and  Structure  Interaction  Subsea. Master’s thesis in Applied Mechanics, Chalmers University of Technology Go¨teborg, Sweden