Negative Skin Friction

MODUL 10

GESEKAN KULIT NEGATIVE

(NEGATIVE SKIN FRICTION)

Rekayasa Pondasi IIDr. Ir.Pintor T Simatupang MT.Eng

Pusat Pengembangan Bahan AjarUniversitas Mercu Buana

‘11 1

Modul 10

DAFTAR ISI

Bab 1 Pengantar..................................................................................................1

1.1. Umum.............................................................................................1

1.2. Tujuan Instruksional Umum............................................................1

1.3. Tujuan Instruksional Khusus..........................................................1

Bab 2 Gesekan Kulit Negative..........................................................................2

2.1. Umum.............................................................................................2

2.2. Mekanisme Gesekan Kulit Negative...............................................2

2.3. Metode Das....................................................................................4

2.3.1. Lempung Menutupi Lapisan Granular.........................................4

2.3.2. Tanah granular menutupi lapisan lempung.................................4

2.4. Metode Prakash & Sharma............................................................6

2.5. Pendekatan Negative Skin Friction (NSF) Berdasarkan Undrained

Strength (Undrained Analysis)..................................................................7

2.6. Pendekatan Negative Skin Friction (NSF) Berdasarkan Effective

Stress (Drained Analysis)..........................................................................8

2.7. Kapasitas Ijin Pada Tiang dengan NSF..........................................9

2.8. Negatife Skin Friction dan Settlement............................................9

2.9. Lapisan Bitumen...........................................................................11

i

Modul 10

Bab 1 Pengantar

1.1. Umum

Tiang yang menerima beban vertikal, biasanya akan mendapat perlawanan dari tanah

berupa gesekan kulit yang arahnya berlawanan (ke atas) dengan pembebanan vertikal.

Namun pada kondisi tertentu, terutama karena tanah lunak (soft soil), tiang tidak hanya

menerima gesekan kulit ke atas (positive) tapi juga akan menyeret (downdrag) tiang ke

bawah (negative). Meskipun ujung tiang pada umumnya diletakkan pada lapisan tanah

keras, sehingga gesekan kulit negative yang kecil mungkin tidak mempengaruhi daya

dukung ujung tiang. Namun untuk gesekan kulit yang cukup besar bisa mengakibatkan

daya dukung tiang (dari sudut kemampuan tiang itu sendiri) tidak mampu memikul

tambahan beban negative ini, sehingga membuat tiang tersebut menjadi patah.

Gesekan kulit negative terjadi karena tanah lunak mengalami penurunan, sehingga

menyeret tiang dalam gerakan penurunan tersebut. Agar gerakan menyeret ini tidak

menimbulkan beban tambahan pada tiang, maka tiang sebelum dimasukkan ke dalam

tanah dapat terlebih dahulu dilumuri dengan aspal dan lain-lain, untuk melicinkan kulit.

1.2. Tujuan Instruksional Umum

Setelah menyelesaikan modul ini diharapkan mahasiswa mampu menghitung tambahan

beban pada tiang akibat gerakan menyeret dari gesekan kulit negative.

1.3. Tujuan Instruksional Khusus

Setelah menyelesaikan modul ini mahasiswa diharapkan dapat memenuhi hal-hal berikut.

1. Mahasiswa memahami konsep gesekan kulit negative yang bekerja pada tiang.

2. Mahasiswa mampu menghitung besarnya beban tambahan akibat gesekan kulit

negative yang kemudian dijumlahkan dengan gesekan kulit positive untuk seterusnya

memperkirakan daya dukung tiang.

3. Mahasiswa mampu mempertimbangkan kondisi tanah dimana gesekan kulit

negative akan mempengaruhi stabilitas pondasi tiang.

4. Mahasiswa mampu menunjukkan metode untuk mengeliminir beban tambahan

akibat gesekan kulit negative.



‘11 1

Modul 10

Bab 2 Gesekan Kulit Negative

2.1. Umum

Secara tradisional, perencanaan pondasi tiang mencakup daya dukung baik sebagai end

bearing pile maupun friction pile dan penurunan (settlement). Namun dalam kondisi

tertentu, disamping standard perencanaan tiang yang harus dituruti, terdapat hal-hal lain

yang juga harus dipertimbangkan. Jika tiang disorongkan ke dalam tanah hingga

mencapai stratum yang kuat, namun diatasnya terdapat lapisan tanah yang lunak, maka

perhitungan daya dukung ujung tiang (end bearing) harus dikoreksi karena adanya gaya

seret (dragload) yang timbul akibat memampatnya tanah lunak tadi. Fenomena ini

biasanya dikenal dengan negative skin friction. Hal-hal khusus semacam ini harus

dipertimbangkan dalam tingkat desain, karena hal ini bisa jadi memicu kegagalan

konstruksi. Hal-hal lain berkenaan dengan metoda pelaksanaan konstruksi juga harus

dipertimbangkan, jika tiang akan dimasukkan ke dalam tanah lunak, yaitu tanah yang

umumnya dikenal memiliki daya dukung yang rendah dan sifat kompressibilitas yang

tinggi.

2.2. Mekanisme Gesekan Kulit Negative

Gesekan kulit negatif (negative skin friction) adalah suatu gaya menyeret ke bawah

(downward drag force) yang ditimbulkan tanah pada tiang. Hal ini dapat terjadi di bawah

beberapa kondisi, seperti berikut ini:

(1) Jika lempung diisikan di atas tanah granular dimana tiang dimasukkan, isian tanah

lempung ini lambat laun akan berkonsolidasi. Proses konsolidasi ini akan

menimbulkan gaya seret ke bawah pada tiang, seperti terlihat pada Gambar 1(a)

selama waktu konsolidasi.

(2) Jika pasir diisikan di atas lapisan lempung lunak, seperti pada Gambar 1(b), ini juga

akan menghasilkan proses konsolidasi pada lapisan lempung dan dengan demikian

akan menghasilkan gaya seret ke bawah juga.

(3) Penurunan muka air tanah akan meningkatkan tegangan vertikal efektif pada tanah.

Ini akan menimbulkan penurunan konsolidasi di tanah lempung. Jika tiang

ditempatkan pada lapisan lempung ini, maka tiang akan juga menderita gaya seret

ke bawah.

(4) Aggaplah pondasi direncanakan akan dipancang sampai lapisan tanah

keras sementara tanah di atasnya adalah lapisan kompresibel. Tanah



‘11 2

Modul 10

kompresibel ini akan mengalami konsolidasi akibat adanya pertambahan

beban pada permukaan tanah. Selama proses konsolidasi ini tanah akan

bergerak relatif terhadap tiang. Sehingga, menghasilkan tahanan geser

ke bawah di sekeliling tiang. Fenomena ini dikenal dengan istilah

negative skin friction. Gambaran kondisi dimana fenomena ini akan

terjadi dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 1 Gesekan kulit negatif

Gambar 2 Timbulnya Negative Skin Friction



‘11 3

Modul 10

Adakalanya gaya seret ke bawah ini dapat berlebihan sehingga menyebabkan kegagalan

pondasi. Berikut ini akan diuraikan beberapa metode yang dapat digunakan untuk

menghitung gesekan kulit negatif.

2.3. Metode Das

2.3.1. Lempung Menutupi Lapisan Granular

Kondisi lempung menutupi lapisan granular adalah seperti ditunjukkan pada Gambar 1(a).

Perhitungan gaya seret negative disini mirip dengan metode yang telah diberikan pada

Modul V, tegangan kulit negatif pada tiang dapat diberikan dalam hubungan berikut:

Maka gaya seret ke bawah total, pada sebuah tiang adalah

dimana = tinggi tanah isian. Jika isian di atas muka air tanah, berat isi efektif harus

digantikan oleh berat isi tanah lembab ( ).

2.3.2. Tanah granular menutupi lapisan lempung

Dalam kasus [Gambar 1(b)] ini terdapat cukup bukti untuk menunjukkan bahwa tegangan

kulit negatif pada tiang bisa ada dari , yang dikenal sebagai

kedalaman netral (Vesic, 1977). Kedalaman netral bisa diberikan sebagai (Bowles, 1982)

dimana dan berturut-turut adalah berat isi efektif tanah isian dan lapisan lempung di

bawahnya.

Sekali nilai telah ditentukan, maka gaya seret ke bawah dapat diperoleh dengan cara

berikut ini. Gesekan kulit negatif satuan pada setiap kedalaman dari

adalah



‘11 4

Modul 10

Maka gaya seret total menjadi

Jika tanah dan isian berada di atas muka air tanah, maka berat isi efektif harus digantikan

dengan berat isi lembab. Kadang-kadang tiang bisa juga dilapisi dengan aspal di daerah

panjang tiang yang potensial seret, sehingga pengaruh seret ini bisa diabaikan.

2.3.2.1 Contoh Soal 1

Mengacu pada Gambar 1(a). . Tiang berpenampang lingkaran dengan diameter

0.305 m. Untuk tanah isian yang berada di atas muka air tanah,

. Tentukanlah gaya seret total ke arah bawah.

Penyelesaian

2.3.2.2 Contoh Soal 2

Mengacu pada Gambar 1(b). , diameter tiang = 0.305 m, ,

, , dan L = 20 m. Letak muka air tanah berimpit

dengan lapisan lempung. Tentukanlah gaya seret ke bawah.

Penyelesaian

Kedalaman hingga ke bidang netral diberikan sebagai



‘11 5

Modul 10

Perlu diketahui bahwa pada Pers. diatas telah diganti dengan , karena isian berada

di atas muka air tanah. Sehingga

Dan dengan Pers. (5)

2.4. Metode Prakash & Sharma

Besarnya negative skin friction ini dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

dimana,

= koefisien tekanan lateral tanah

= sudut geser dalam efektif

= tekanan efektif tanah

= tebal efektif lapisan tanah yang mengalami konsolidasi

Prakash dan Sharma (1990) mengusulkan tebal efektif lapisan tanah yang mengalami

konsolidasi tersebut dengan menggunakan persamaan:



‘11 6

Modul 10

dimana,

= tebal total dari lapisan tanah yang mengalami konsolidasi

Nilai unit skin friction untuk tiang coated dan uncoated dpat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1 Unit Skin Friction untuk Tiang Coated dan Uncoated (Prakash dan Sharma, 1990)

Kondisi tanah dan tiang Unit negative skin friction

(a) uncoated pile

[1]. lapisan lanau dan lempung yang kompresibel, soft

[2]. pasir, loose

(b) coated pile, menggunakan bitumen atau bentonite

Umumnya sudut geser dalam lanau lempungan berpasir adalah . Untuk

dan , unit skin friction diberikan dengan persamaan berikut,

Fill material

Soft soil,Consolidating soil

Bearing soil

Gambar 2 Distribusi dari Negative Skin Friction (Tomlinson, 2002)

2.5. Pendekatan Negative Skin Friction (NSF) Berdasarkan Undrained Strength (Undrained Analysis)

Analisis NSF berdasarkan kondisi tegangan tak salur (undrained strength) adalah analisis

NSF yang berdasarkan kondisi insitu dimana excess pore water pressure dari timbunan

belum terdissipasi. Analisis ini digunakan untuk kondisi short term yang berkenaan

dengan besarnya gaya yang akan dipikul oleh tiang pada saat proses driving selesai.



‘11 7

Modul 10

Besarnya NSF pada kondisi undrained bisa dihitung dengan menggunakan formula

berikut,

dimana,

= faktor adhesi

= tegangan geser undrained dari nilai N – SPT

= Koeffisien tekanan tanah lateral

= sudut geser dalam antara tiang dan tanah

= tegangan overburden efektif

2.6. Pendekatan Negative Skin Friction (NSF) Berdasarkan Effective Stress (Drained Analysis)

Drained analysis (analisis salur) adalah cara perhitungan NSF untuk kondisi long term.

Dalam perhitungan drained transfer tegangan dari tanah ke tiang berlangsung lambat

sehingga tekanan air pori ekses (excess pore pressure) sempat terdissipasi. Pada kondisi

ini, secara perlahan beban dari timbunan akan dipikul oleh tanah lunak sehingga akan

menimbulkan peningkatan tekanan overburden dan kekuatan tanah. Besarnya NSF untuk

kondisi drained dapat dihitung dengan menggunakan formula seperti di bawah,

dimana,

= tegangan vertikal efektif pada kedalaman z

f = diameter tiang

= panjang effective dari lapisan yang terkonsolidasi yang

menimbulkan negative skin friction. (Prakash

dan Sarma, 1990)

= faktor tak berdimensi

Besarnya nilai No ditujukkan pada Tabel 2.



‘11 8

Modul 10

Tabel 2 Non-dimensional factor untuk kondisi drained

Soil Type Noa. Uncoated Pile- Sand 0.35 – 0.50- Silt 0.25 – 0.35- Clay 0.20 – 0.25

b. Coated Pile with Bitumen SL pile :

2.7. Kapasitas Ijin Pada Tiang dengan NSF

Khusus untuk kasus tiang pancang dimana diprediksi akan mengalami negative skin

friction, perhitungan daya dukung ijin atau allowable bearing capacitynya adalah sebagai

berikut:

atau

Dari kedua persamaan untuk memperoleh kapasitas ijin tiang dipilih mana yang hasilnya

paling kecil itu yang digunakan sebagai kapasitas ijin tiang pancang.

2.8. Negatife Skin Friction dan Settlement

Perhitungan terdahulu menekankan bahwa pengaruh negative skin friction pada tiang

terletak pada berkurangnya daya dukung dengan adanya tambahan beban seret

(dragload) pada tiang. Namun menurut Fellenius (1984) persoalan negative skin friction

tidak semata-mata terletak pada dragload, tetapi terutama pada timbulnya downdrag

(terseretnya tiang ke bawah) yang mengakibatkan bertambahnya settlement.

Merujuk pada Fellenius (1984), desain tiang dengan mempertimbangkan negative skin

friction, harus menentukan terlebih dahulu neutral plane. Neutral plane adalah sebuah

bidang pada tiang dimana terjadi perubahan dari negative skin friction menjadi positive

skin friction. Bidang ini adalah dimana tidak terdapat perpindahan relatif antara tiang dan

tanah, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

Pada gambar ini distribusi beban layan yang bekerja pada tiang dinyatakan dengan Qd

dan dimasukkan ke dalam tanah yang reltif homogen, dimana tegangan geser yang

bekerja disepanjang tiang akibat perpindahan relatif merupakan fungsi tegangan effective

overburden. Diasumsikan bahwa excess pore pressure telah terdissipasi dan pore



‘11 9

Modul 10

pressure terdistribusi secara hidrostatis. Untuk penyederhanaan, aggaplah tegangan

geser sepanjang tiang diasumsikan tidak bergantung pada arah perpindahan, yaitu

negative skin friction, qn arahnya sama dengan tahanan positif, rs. Diasumsikan juga

bahwa tahanan ujung Rt ada. Gaya seret, Qn adalah jumlah negative skin friction di

seluruh tiang dan Rs adalah jumlah dari seluruh tahanan gesek tiang. Dengan kondisi ini

maka lokasi neutral plane dapat ditentukan.

Gambar 3 Definisi dan diagram neutral plane (Fellenius, 1984)

Gambar 4 memberikan illustrasi bagaimana lokasi dari neutral plane untuk tiang pada

Gambar 3 berubah dengan berubahnya beban yang diberikan pada kepala tiang, dan

dengan demikian juga berubahnya dragload. Jika diasumsikan settlement tanah di sekitar

tiang seperti yang diperlihatkan pada bagian kanan dari Gambar 4 untuk kasus beban

layan medium, dengan menggambarkan garis horizontal dari neutral plane hingga

berpotongan dengan kurva settlement, maka settlement pada neutral plane dapat

ditentukan. Settlement kepala tiang adalah settlement ini ditambah dengan kompressi

tiang akibat beban. Illustrasi pada gambar ini dibuat untuk baik pada settlement yang kecil

yang berkurang drastis dengan kedalaman maupun untuk settlement besar. Jika

settlement kecil, maka perpindahan ujung tiang tidak cukup besar untuk memobilisasi

seluruh tahanan ujung. Dalam hal ini, neutral plane akan bergerak ke lokasi yang lebih

tinggi sebagaimana yang ditentukan oleh kondisi kesetimbangan tertentu.



‘11 10

Modul 10

Gambar 4 Menentukan settlement tiang (Fellenius, 1984)

2.9. Lapisan Bitumen

Jika perhitungan menunjukkan pengaruh negative skin friction adalah signifikan, maka

beberapa upaya dapat dilakukan untuk mengurangi pengaruh ini. Sebagai contoh,

dengan menambah panjang tiang serta mengurangi diamater tiang. Namun jika cara ini

tidak praktis atau ekonomis, maka pengaruh negative skin friction dapat dikurangi

dengan melapisi tiang dengan bahan-bahan bitumen (bituminous coating)

sebelum tiang dipasang.

Referensi

[1]. Bowles, J.E.: Foundation Analysis and Design, 4th ed., Mc-Graw-Hill, New York,

1988.

[2]. Das, B.M.: Principles of Foundation Engineering, PWS Publishers, Boston, 1984.

[3]. Meyerhof, G.G.: Bearing capacity and settlement of pile foundations, Journal of the

Geotechnical Engineering Divisions, ASCE, Vol. 102, No. GT3, pp. 197-228,

[4]. Teng, W.C.: Foundation Design, Prentice-Hall, New Jersey, 1962.

[5]. Tomlinson, M.J.: Pile Design and Construction Practice, A Viewpoint Publication,

Cement and Concrete Association, 1977.

[6]. Tschebotarioff, G.P.: Foundation, Retaining and Earth Structures, 2nd ed., Mc-Graw-

Hill, New York, 1973.

[7]. Vesic, A.S.: Experiment with instrumented pile groups in sand, American Society for

Testing and Materials; Special Technical Publication, No. 444, pp. 177-222, 1969.

[8]. Vesic, A.S.: Test on instrumented piles-Ogeechee River site, Journal of the Soil

Mechanics and Foundations Divisions, ASCE, Vol. 96, No. SM2, pp. 561-584, 1970.

[9]. Vesic, A.S.: Design of Pile Foundations, National Cooperative Highway Research

Program Synthesis of Practice No. 42, Transportation Research Board, Washington,

D.C., 1977.



‘11 11

Documents

Negative Skin Friction