JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 1

I. PENDAHULUAN ndonesia merupakan negara kepulauan terbesar di dunia. Terdapat lebih dari 17.000 pulau. Kepulauan Indonesia

berada pada pertemuan beberapa lempeng besar dunia (Eurasian‐Pacific‐Indo Australian), sehingga setiap saat terekspos / menerima ancaman yang sangat besar dari natural hazard. Pergerakan lempeng tersebut menjadikan Indonesia negara yang paling terekspos menerima ancaman letusan gunung berapi dan gempabumi. Di sepanjang pertemuan lempeng berjajar 500 gunung berapi, 129 di antaranya masih aktif dan 10 diantaranya berada di Jawa Timur.

Gambar 1. Peta lempeng tektonik dan gunung berapi di

dunia (vulcan.wr.usgs.gov)

Gempa bumi adalah getaran atau guncangan yang terjadi pada permukaan bumi yang biasanya disebabkan oleh pergerakan kerak bumi (lempeng bumi). Apabila

gelombang gempabumi ini merambat di tanah berpasir jenuh air maka akan menimbulkan potensi berbagai macam fenomena alam seperti soil liquefaction yang dapat menyebabkan penurunan tanah dan mengakibatkan kerusakan struktur diatasnya, seperti dermaga, seawall, dan perumahan warga.

Kabupaten Pacitan terletak di ujung barat daya Provinsi Jawa Timur. Wilayahnya berbatasan dengan Kabupaten Ponorogo di utara, Kabupaten Trenggalek di timur, Kabupaten Wonogiri (Jawa Tengah) di barat dan Samudra Hindia di selatan, dimana terdapat pertemuan lempeng tektonik yang berpotensi terjadi gempabumi.

Gambar 2. Citra satelit pesisir kota pacitan (Google

Satellite, 2013)

II. URAIAN PENELITIAN

A. Soil Liquefaction

Soil liquefaction adalah fenomena dimana massa tanah hilang dalam presentase yang sangat besar pada tahanan gesernya akibat beban monotik, siklik, maupun beban kejut dimana beban tersebut mengalir seperti cairan hingga tegangan geser partikel tersebut rendah seperti berkurangnya daya dukung geser yang dimilikinya [1].

Secara umum, soil liquefaction hanya terjadi apabila suatu tanah memenuhi syarat-syarat tertentu. Jadi apabila tanah tersebut tidak memenuhi syarat tersebut, maka tanah tersebut tidak berpotensi untuk terjadi soil liquefaction. Maka dari itu, agar tidak terjadi soil liquefaction, perencana pembangunan harus menghindari tanah-tanah yang telah memenuhi syarat terjadinya soil liquefaction. Soil liquefaction biasanya terjadi pada tanah atau lahan yang tidak terlalu padat. Misalnya tanah yang terbentuk dari pasir atau dari endapan bekas delta sungai. Tanah semacam itu cenderung tidak padat sehingga memiliki rongga yang banyak.

STUDI KERENTANAN TANAH TERHADAP SOIL LIQUEFACTION AKIBAT GEMPABUMI DI PESISIR KOTA PACITAN BERDASARKAN DATA CONE

PENETRATION TEST

Wahyu Apriliyanto R, Wahyudi, dan Kriyo Sambodho Jurusan Teknik Kelautan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: wahyu09@mhs.oe.its.ac.id

I

Abstrak—Kabupaten Pacitan adalah salah satu daerah di selatan Pulau Jawa yang rawan gempa, karena dilalui oleh lempeng Eurasia dan lempeng Indo-Australia. Berdasarkan hasil boring test di 5 titik dan sondir di 30 titik yang telah dilakukan menunjukkan bahwa kondisi tanah di lokasi studi sebagian besar merupakan tanah pasir yang sangat berpotensi terjadi soil liquefaction. Potensi soil liquefaction dievaluasi berdasarkan nilai Safety Factor (SF) yang merupakan perbandingan antara Cyclic Resistance Ratio (CRR), Cyclic Stress Ratio (CSR) dan Liquefaction Potential Index (LPI). Nilai CSR dihitung dari parameter gempa sedangkan data hasil Cone Penetration Test (CPT) digunakan untuk menghitung nilai CRR. Hasil analisa menunjukkan bahwa hanya di lokasi S-14, S-15, S-16, S-18, S-33, dan S-38 yang tidak berpotensi berpotensi terjadi soil liquefaction, sedangkan 24 titik lainnya berpotensi terjadi soil liquefaction. Hal ini ditunjukkan oleh nilai SF yang lebih kecil daripada 1. Nilai LPI paling tinggi berada pada titik S-21, yaitu 28.99. Kata kunci— Soil liquefaction, Gempabumi, Cone Penetration Test (CPT), Liquefaction Potential Index (LPI)

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 2

Gambar 3. Kondisi lapisan tanah saat dan sesudah gempa

Gambar 4. Ilustrasi Sederhana Penjabaran Fenomena Soil Liquefaction: a. Gambar Skematis Mengenai Gaya-Gaya

Yang Bekerja (The Japanese Geotechnical Society, 1998); b.Interaksi Gaya-Gaya Yang Bekerja; c. Vektor Gaya-

Gaya Yang Bekerja Dari Gambar 4. dapat diketahui hubungan antara gaya

normal (N dalam Newton), gaya geser (F dalam Newton) dan sudut geser (θ) sebagai berikut:

tan𝜃𝜃 = 𝐹𝐹𝑁𝑁

(1)

Dengan memperhitungkan faktor tekanan air (u dalam N/m2), maka Persamaan (1) dapat dituliskan sebagai berikut: 𝐹𝐹 = (𝑁𝑁 −𝐴𝐴𝐴𝐴) tan𝜃𝜃 (2) dimana A adalah luasan efektif dalam m2 Apabila kita membagi kedua ruas pada Persamaan (2) dengan A, maka didapatkan: 𝐹𝐹𝑁𝑁

= ��𝑁𝑁𝐴𝐴

− 𝐴𝐴�� tan𝜃𝜃 (3)

Dengan: 𝐹𝐹𝑁𝑁

= 𝜏𝜏 (4a) 𝑁𝑁𝐴𝐴

= 𝜎𝜎 (4b)

dimana τ adalah tegangan geser tanah (N/m2) dan σ adalah tegangan total (N/m2). Subsitusi Persamaan (4a) dan Persamaan (4b) kedalam Persamaan (3) menghasilkan 𝜏𝜏 = (𝜎𝜎 − 𝐴𝐴) tan𝜃𝜃 (5) Diketahui bahwa tegangan total adalah fungsi dari tegangan efektif dan tekanan air pori: 𝜎𝜎 = 𝜎𝜎′+ 𝐴𝐴 (6) Maka Persamaan (2.5) dapat dituliskan sebagai berikut 𝜏𝜏 = 𝜎𝜎′ tan𝜃𝜃 (7) Dari Persamaan (5) dan dapat disimpulkan bahwa soil liquefaction bisa terjadi apabila tekanan air pori naik hingga mendekati harga tegangan total. Hal ini akan menyebabkan hilangnya tegangan efektif (σ’ = 0) sehingga tanah cenderung bersifat seperti benda cair.

B. Metode Untuk Mengevaluasi Terjadinya Soil Liquefaction Karena Gempa Bumi

1. Pengaruh Ukuran Butir Tanah Terhadap Soil Liquefaction

Ukuran butiran tanah yang beragam menyebabkan soil liquefaction hanya terjadi pada butiran tanah berpasir. Sedangkan pada butiran kasar (gravel) dan butiran halus (clay) sulit untuk terjadi liquefaction.

Ukuran butiran tanah yang seragam dengan 0.2 mm ≤ D50 ≤ 0.40 mm sensitif terhadap liquefaction. Gambar 2.3. menunjukkan pengaruh dari ukuran butiran tanah terhadap liquefaction.

Gambar 5. Potensi Soil Liquefaction berdasarkan butiran

tanah (Oka, F, 1995)

2. Evaluasi Soil Liquefaction Berdasarkan Data CPT

Parameter utama dalam analisa soil liquefaction adalah mencari nilai dari Cyclic Stress Ratio (CSR) yang merupakan tegangan siklik yang terjadi akibat gempa bumi dibagi dengan tegangan efektif, dan Cyclic Resistance Ratio (CRR) yang merupakan ketahanan tanah untuk menahan liquefaction. Dari perbandingan CRR dan CSR didapatkan angka keamanan (SF), jika angka keamanan lebih kecil dari satu maka terjadi liquefaction, dan jika lebih besar atau sama dengan satu, maka tidak terjadi soil liquefaction.

Persamaan untuk penghitungan Cyclic Stress Ratio[2]: 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 = � 𝜏𝜏𝑎𝑎𝑎𝑎

𝜎𝜎′𝑎𝑎𝑣𝑣� = 0.65 �𝑎𝑎𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚

𝑔𝑔� � 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑣𝑣

𝜎𝜎′𝑎𝑎𝑣𝑣�𝑟𝑟𝑑𝑑 (8)

Dengan : αmax = percepatan maksimum akibat gempa, (m/s2) g = percepatan gravitasi bumi, (m/s2) σv = tegangan vertikal total, (N/m²) σv’ = tegangan vertikal efektif, (N/m²) rd = faktor reduksi terhadap tegangan

Rasio antara tegangan total dengan tegangan efektif dihitung dengan persamaan-persamaan yang ada di dalam teori Mekanika Tanah.

Dimana tegangan total dirumuskan: 𝜎𝜎 = 𝐻𝐻𝛾𝛾𝑤𝑤 + (𝐻𝐻𝐴𝐴 +𝐻𝐻)𝛾𝛾𝑠𝑠𝑎𝑎𝑠𝑠 (9) Dengan : σ = tegangan total γw = berat volume air (9,8 kN/m3) γsat = berat volume tanah jenuh air H = tinggi muka air diukur dari permukaan tanah HA = jarak antara titik A dan muka air

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 3 Berat volume tanah jenuh air sendiri dihitung dengan persamaan: γsat = (Gs +e)γw

(1 +e) (10) Dengan : Gs = berat spesifik butiran pada e = void ratio (angka pori) γw = berat volume air (9,8 kN/m3)

Tegangan efektif tanah dihitung menggunakan persamaan: 𝜎𝜎′ = 𝜎𝜎 – 𝐴𝐴 (11) dengan u adalah tekanan pori air tanah, yang dihitung dengan persamaan: 𝐴𝐴 = 𝐻𝐻𝐴𝐴 𝛾𝛾𝑤𝑤R (12) dengan HA adalah jarak titik yang ditinjau dengan muka air.

Percepatan horizontal maksimum akibat gempa (amax) dihitung dengan persamaan sebagai berikut: 𝐿𝐿𝑣𝑣𝑔𝑔 𝑃𝑃𝐻𝐻𝑃𝑃𝐴𝐴 = −1.02 + 0.249𝑀𝑀𝑤𝑤 − log 𝑟𝑟 − 0.0255𝑟𝑟 (13) dengan r adalah jarak episentrum (km) dan Mw adalah magnitude gempa.

Koefisien reduksi kedalaman (rd) dihitung berdasarkan persamaan [3]: rd = 1 – 0,00765z (14) untuk z ≤ 9,15 m rd = 1,174 – 0,0267z (15) untuk 9,15 < z ≤ 23 m Dengan : rd = faktor reduksi redaman z = kedalaman (m)

Rumus CSR tersebut berlaku untuk gempa dengan magnitude sama dengan 7,5. Sedangkan untuk gempa dengan magnitude tidak sama dengan 7,5 menggunakan faktor koreksi MSF (Magnitude Scalling Factor) terhadap persamaan CSR menjadi sebagai berikut [4]: CSR = 0.65 𝜎𝜎

𝜎𝜎′ 𝛼𝛼𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚

𝑔𝑔 𝑟𝑟𝑑𝑑𝑀𝑀𝐶𝐶𝐹𝐹

(16) Untuk gempa dengan magnitude lebih besar dari 7.5, NCEER merekomendasikan menggunakan persamaan MSF sebagai berikut [5]: MSF = 102.24

𝑀𝑀𝑤𝑤2.56 (17)

Dan untuk gempa dengan magnitude lebih kecil dari 7,5, menggunakan persamaan MSF sebagai berikut [6]: MSF = (𝑀𝑀𝑊𝑊

7.5)−3.3 (18)

Dengan Mw adalah magnitude gempa. Persamaan untuk penghitungan Cyclic Resistance Ratio sebagai berikut[7]: CRR = 0.058 exp[0.02qc1N] (19) Dengan : 𝑞𝑞𝑐𝑐1𝑁𝑁 = 𝐶𝐶𝑄𝑄 �

𝑞𝑞𝑐𝑐𝑃𝑃𝑎𝑎� (20)

dimana 𝐶𝐶𝑄𝑄 = � 𝑃𝑃𝑎𝑎

𝜎𝜎′𝑎𝑎𝑣𝑣�𝑛𝑛 (21)

Dengan : CQ = faktor normalisasi utuk cone penetration

resistance

Pa = 1 atm untuk tekanan yang sama yang digunakan oleh σ’vo

n = eksponen untuk berbagai macam tipe tanah qc = ketahanan cone penetration dilapangan yang diukur pada ujungnya.

Pada analisis soil liquefaction akibat gempa, safety factor dapat ditentukan setelah didapatkan nilai CSR dan CRR. NCEER (1996) mendefinisikan faktor keamanan terhadap bahaya likuifaksi dapat dinyatakan sebagai berikut: SF = 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 , SF ≤ 1 (22)

Jika SF (Safety Factor) lebih kecil atau sama dengan satu (SF ≤ 1) maka terjadi soil liquefaction dan jika lebih besar satu (SF > 1) maka tidak terjadi soil liquefaction

3. Indeks Potensi Likuifaksi (Liquefaction Potential Index)

Indeks Potensi Likuifaksi atau Liquefaction Potential Index adalah suatu indeks yang digunakan untuk estimasi potensi likuifaksi yang menyebabkan kerusakan pondasi. Metode ini menganggap bahwa kerusakan likuifaksi adalah sebanding terhadap kondisi berikut [8] : 1. Ketebalan lapisan yang terlikuifaksi (liquefied layer) 2. Jarak lapisan terlikuifaksi terhadap permukaan tanah 3. Jumlah lapisan dengan nilai factor keamanan kurang dari satu (SF<1) Anggapan tersebut dapat dirumuskan untuk kedalaman tanah kurang dari 20 m dalam persamaan berikut [9]: LPI = ∑ 𝑤𝑤𝑤𝑤𝐹𝐹𝑤𝑤𝐻𝐻𝑤𝑤𝑛𝑛

𝑤𝑤=1 (23) Dengan : Fi = 1-SF untuk SF<1 Fi = 0 untuk SF ≥ 1 Hi = Selisih ketebalan antar lapisan tanah yg terlikuifaksi (m) n = Kedalaman tanah wi = fungsi bobot yang bergantung pada kedalaman, yaitu wi = 10-0.5zi zi = kedalaman titik tengah pada lapisan tanah (m)

Nilai LPI dapat berkisar dari 0 untuk suatu lokasi dimana tidak terjadi likuifaksi hingga 100 untuk lokasi dimana factor keamanan sama dengan nol. Berikut adalah indikator kerusakan karena soil liquefaction berdasarkan LPI :

Nilai LPI Kerusakan LPI = 0 Sangat rendah 0 < LPI ≤ 5 Rendah 5 < LPI ≤ 15 Tinggi LPI > 15 Sangat Tinggi

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Kondisi Daerah Studi Kabupaten Pacitan terletak di ujung barat daya Provinsi

Jawa Timur. Wilayahnya berbatasan dengan Kabupaten Ponorogo di utara, Kabupaten Trenggalek di timur, Kabupaten Wonogiri (Jawa Tengah) di barat dan Samudra Hindia di selatan. Secara administrasi, Kabupaten Pacitan terbagi menjadi 12 kecamatan, 5 kelurahan dan 159 desa.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 4

Gambar 6. Peta Lokasi Studi (google satellite,2013)

B. Analisa Potensi Soil Liquefaction Berdasarkan Grain Size

Untuk mengklasifikasikan jenis tanah menurut butirannya, menggunakan Koefisien Keseragaman (Cu) dan Koefisien Gradasi (Cc) sebagai parameternya. Untuk tanah pasir bergradasi baik (well graded), memiliki nilai Cu lebih dari 6 dan Cc antara 1-3. Nilai rata-rata Cu di titik SB-6 sampai dengan SB-10 adalah Cu < 6 dan merupakan tanah bergradasi seragam.

Gambar 7 menunjukkan bahwa grain size sampel tanah titik tersebut 0.2 mm ≤ D50 ≤ 0.4 mm dan sensitif terhadap liquefaction.

Gambar 7. Hasil grain-size analysis sampel tanah di titik SB-6 sampai dengan SB-10di lokasi studi yang diplot

dalam grafik Liquefaction Potential (Oka, 1995)

C. ANALISA POTENSI SOIL LIQUEFACTION BERDASARKAN DATA SONDIR, PERCEPATAN GEMPA, DAN MAGNITUDE

Berdasarkan data soil boring pada titik SB6-SB10, tanah di daerah studi merupakan tanah pasir, hal ini dapat dilihat pada gambar 7.

Gambar 7. Bore Log SB6 sampai Bore Log SB10

Dari perhitungan nilai Safety Factor, didapatkan bahwa

hanya titik Sondir-1, Sondir-2, Sondir-4 dan Sondir-5 yang berpotensi terjadi Soil liquefaction dengan nilai Safety Factor < 1. Umumnya semua terjadi pada percepatan gempa 0.3g.

Hasil analisa menunjukkan bahwa hanya di lokasi S-14, S-15, S-16, S-18, S-33, dan S-38 yang tidak berpotensi berpotensi terjadi soil liquefaction, sedangkan 24 titik lainnya berpotensi terjadi soil liquefaction. Hal ini ditunjukkan oleh nilai SF yang lebih kecil daripada 1.

D. Analisa Indeks Potensi Likuifaksi (Liquefaction Potential Index)

Tabel 1. Nilai LPI per titik

x yS11 509171 9091973 2.31S12 509710 9091987 1.61S13 510207 9091982 1.52S14 510717 9091954 0S15 511166 9091944 0S16 509295 9092400 0S17 509857 9092396 0.06S18 510466 9092377 0S19 510991 9092382 10.92S20 511563 9092358 1.08S21 509157 9092650 28.99S22 509644 9092645 22.67S23 510119 9092608 21.96S24 510840 9092645 12.36S25 511303 9092607 3.04S26 509271 9093192 10.39S27 510028 9093147 9.12S28 510781 9093119 19.82S29 511431 9093053 16.12S30 511906 9093073 5.53S31 509066 9093575 22.71S32 509841 9093542 3.3S33 510472 9093494 0S34 511051 9093545 0.19S35 511743 9093570 5.58S36 509382 9093952 16.66S37 510056 9093974 5.78S38 510813 9093982 0S39 511369 9093954 9.75S40 511961 9093985 3.09

KoordinatTitik LPI

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) 5 Bersadarkan tabel 1, nilai LPI tertinggi ada pada titik S-21 dan hasil dari pemetaan kerentanannya tersaji pada gambar 8.

Gambar 8. Peta LPI pada pesisir Kota Pacitan

IV. KESIMPULAN DAN SARAN Korelasi antara soil liquefaction akibat gempabumi

dengan properti tanah berdasarkan data CPT adalah menunjukkan bahwa makin tinggi nilai tekanan konus, maka tanah tersebut merupakan tanah lempung. Sebaliknya, jika tekanan konus rendah, maka tanah tersebut merupakan tanah pasir, sehingga berpotensi terjasi soil liquefaction.

Berdasarkan dari hasil perhitungan LPI, nilai LPI yang paling besar ada pada titik S-21 dengan nilai 28.99. Untuk persebarannya, wilayah barat Pesisir Kota Pacitan sangat tinggi berpotensi terjadi soil liquefaction karena nilai rata-rata LPI daerah tersebut >15, sedangkan wilayah barat, utara, dan selatan Pesisir Kota Pacitan bernilai LPI <15 dan berpotensi terjadi soil liquefaction rendah hingga tinggi.

UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak

terkait yang telah membantu terselesaikannya tugas akhir ini

DAFTAR PUSTAKA

[1] Sladen et al. 1985. “Back Analysis of The Nerlerk Berm Liquefaction Slides”. Canadian Geotechnical Journal, 22, 4, 579–588.

[2] Seed, H. B., and Idriss, I. M. 1971. ‘‘Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential.’’ J. Geotech. Engrg. Div., ASCE, 97(9), 1249–1273.

[3] Youd, T. L., and Noble, S. K. 1997. ‘‘Magnitude scaling factors.’’ Proc., NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, Nat. Ctr. For Earthquake Engrg. Res., State Univ. of New York at Buffalo, 149–165.

[4] Seed, H.B, and Idriss, I. M. 1982.”Ground Motions and soil Liquefaction During Earthquakes.” Earthquake Engineering Research Institute Monograph, Oakland, Calif.

[5] Youd, T. L., and Idriss, I. M., eds. (1997). Proceedings of NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, Nat. Ctr. for

Earthquake Engrg. Res., State Univ. of New York at Buffalo.

[6] Andrus, R. D., and Stokoe, K. H., II. (1997). ‘‘Liquefaction resistance based on shear wave velocity.’’ Proc., NCEER Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils, Nat. Ctr. for Earthquake Engrg. Res., State Univ. of New York at Buffalo, 89–128.

[7] Chih-Sheng Ku et al. (2004) “Evaluation of soil liquefaction in the Chi-Chi, Taiwan Earthquake using CPT.” Soil and Dynamics and Earthquake Engineering, 24 (2004) 659-673.

[8] Iwasaki T. et al (1978) “A practical method for assessing soil liquefaction potential based on case studies at various sites in Japan.” Proc. 2nd Int. Conf. on Microzonation for Safer Construction, Research and Application, San Francisco, California, vol. II, pp. 885-896.

[9] Luna, R. and Frost, J. D.: Spatial liquefaction analysis system, J. Comput. Civil Eng., 12, 48–56, 1998.