Mengapa Uji Triaxial Penting dalam Geoteknik?

Tanah di alam mengalami kondisi tegangan tiga dimensi akibat beban struktur di atasnya dan juga tekanan dari massa tanah di sekelilingnya. Memahami bagaimana uji tanah berperilaku di bawah kondisi tegangan tersebut menjadi sangat penting untuk desain fondasi yang aman, stabilitas lereng, serta konstruksi terowongan.

Uji triaksial dirancang untuk mereplikasi kondisi tegangan lapangan secara terkontrol di laboratorium. Dengan menerapkan tegangan aksial dan tegangan lateral (tegangan keliling) secara independen, uji ini memungkinkan para insinyur geoteknik untuk menentukan parameter kuat geser tanah (kohesi ( $c$ ) dan sudut geser dalam ( $ϕ$ )) serta modulus deformasi, yang merupakan input vital dalam analisis stabilitas dan deformasi struktur tanah.

Prinsip Dasar Uji Triaksial

Prinsip dasar uji triaksial melibatkan penerapan tegangan pada sampel tanah silinder yang ditempatkan di dalam sel khusus. Sampel ini biasanya berdiameter 38 mm atau 76 mm dan memiliki rasio tinggi terhadap diameter sekitar 2:1. Sel triaksial terdiri dari ruang tertutup yang memungkinkan penerapan tekanan air ke sekeliling sampel, menciptakan tegangan keliling (confining pressure) ( $σ_{3}$ ).

Secara bersamaan, beban aksial diterapkan melalui piston yang menekan bagian atas sampel, menghasilkan tegangan deviasi (deviator stress) ( $Δ σ$ ). Total tegangan aksial yang bekerja pada sampel adalah jumlah dari tegangan keliling dan tegangan deviasi ( $σ_{1} = σ_{3} + Δ σ$ ).

Selama pengujian, tegangan keliling dijaga konstan, sementara tegangan deviasi secara bertahap ditingkatkan hingga sampel mengalami keruntuhan. Selama proses ini, deformasi aksial dan perubahan volume sampel diukur secara kontinu. Data yang diperoleh kemudian digunakan untuk membuat kurva tegangan-regangan dan menentukan parameter kuat geser tanah.

Jenis-Jenis Uji Triaksial Berdasarkan Kondisi Drainase

Variasi utama dalam uji triaksial terletak pada kondisi drainase yang diizinkan selama pengujian. Kondisi drainase ini sangat penting karena memengaruhi respons tekanan air pori dalam sampel tanah dan, pada gilirannya, kuat gesernya. Berdasarkan kondisi drainase, uji triaksial umumnya dibagi menjadi tiga jenis utama:

1. Uji Konsolidasi Tidak Terdrainase (Unconsolidated-Undrained / UU Test)

Deskripsi: Dalam uji UU, baik konsolidasi maupun drainase tidak diizinkan selama pengujian. Sampel tanah ditempatkan dalam sel triaksial dan tekanan keliling diterapkan tanpa memungkinkan air pori keluar (kondisi undrained). Setelah itu, beban aksial diterapkan dengan cepat, juga dalam kondisi undrained, hingga sampel runtuh.
Aplikasi: Uji UU cocok untuk mensimulasikan kondisi tanah lempung jenuh pada beban sangat cepat, seperti pada saat konstruksi tanggul di atas tanah lempung lunak atau pada analisis stabilitas jangka pendek. Hasil uji UU sering kali digunakan untuk menentukan kuat geser undrained ( $s_{u}$ atau $c_{uu}$ ).
Karakteristik Hasil: Kurva tegangan-regangan pada uji UU untuk tanah jenuh seringkali menunjukkan perilaku keruntuhan yang jelas tanpa perubahan volume yang signifikan. Kuat geser yang diperoleh adalah dalam istilah tegangan total.

2. Uji Konsolidasi Terdrainase (Consolidated-Drained / CD Test)

Deskripsi: Pada uji CD, sampel tanah awalnya diizinkan untuk berkonsolidasi di bawah tekanan keliling. Ini berarti air pori diizinkan untuk keluar dari sampel sampai tekanan air pori berlebih hilang (kondisi drained). Setelah konsolidasi selesai, beban aksial diterapkan secara sangat lambat, memungkinkan tekanan air pori untuk menghilang selama pembebanan (kondisi drained).
Aplikasi: Uji CD ideal untuk mensimulasikan kondisi tanah yang akan mengalami pembebanan dalam jangka waktu yang sangat panjang, di mana konsolidasi penuh dapat terjadi dan tekanan air pori dapat sepenuhnya menghilang. Contohnya adalah stabilitas jangka panjang dari tanggul atau galian. Hasil uji CD digunakan untuk menentukan parameter kuat geser efektif ( $c^{'}$ dan $ϕ^{'}$ ).
Karakteristik Hasil: Uji CD menghasilkan kurva tegangan-regangan yang mencerminkan perilaku kuat geser dalam istilah tegangan efektif. Kecepatan pembebanan yang sangat lambat adalah kunci untuk memastikan kondisi drained.

3. Uji Konsolidasi Tidak Terdrainase (Consolidated-Undrained / CU Test)

Deskripsi: Uji CU adalah kombinasi dari dua jenis sebelumnya. Sampel tanah awalnya diizinkan untuk berkonsolidasi di bawah tekanan keliling (kondisi drained selama konsolidasi awal). Setelah konsolidasi selesai, beban aksial diterapkan dengan cepat tanpa memungkinkan air pori keluar (kondisi undrained selama pembebanan). Selama fase undrained ini, tekanan air pori diukur.
Aplikasi: Uji CU sangat relevan untuk mensimulasikan kondisi di mana tanah telah terkonsolidasi di bawah beban tertentu (misalnya, beban mati struktur) tetapi kemudian mengalami pembebanan tambahan yang cepat (misalnya, beban gempa, beban lalu lintas dinamis). Hasil uji CU dapat digunakan untuk menentukan parameter kuat geser baik dalam istilah tegangan total maupun tegangan efektif (dengan pengukuran tekanan air pori).
Karakteristik Hasil: Uji CU menyediakan informasi berharga tentang bagaimana tekanan air pori berkembang selama pembebanan undrained, yang merupakan faktor penting dalam analisis likuefaksi dan stabilitas dinamis.

Peralatan Uji Triaksial

Pelaksanaan uji triaksial memerlukan perangkat laboratorium yang canggih dan presisi. Komponen utama dari sistem uji triaksial meliputi:

Sel Triaksial: Merupakan bejana silinder bertekanan tinggi yang terbuat dari akrilik transparan, di mana sampel tanah ditempatkan. Sel ini dilengkapi dengan inlet dan outlet untuk air yang digunakan sebagai media untuk memberikan tekanan keliling.
Sistem Pemberian Tegangan Keliling: Biasanya terdiri dari pompa tekanan air atau sistem pemberi tekanan pneumatik yang terhubung ke sel triaksial untuk menjaga tekanan air di sekeliling sampel.
Sistem Pemberian Beban Aksial: Berupa mesin pembebanan yang dapat menerapkan beban aksial secara vertikal ke sampel melalui piston. Kecepatan pembebanan dapat diatur dengan presisi.
Sistem Pengukuran: Ini termasuk sensor beban (load cell) untuk mengukur beban aksial yang diterapkan, LVDT (Linear Variable Differential Transformer) untuk mengukur deformasi aksial sampel, dan transduser tekanan pori untuk mengukur tekanan air pori di dalam sampel (khususnya untuk uji CU).
Unit Kontrol dan Akuisisi Data: Sistem modern menggunakan akuisisi data otomatis yang terhubung ke komputer untuk merekam data secara real-time, memastikan akurasi dan efisiensi pengujian.

Prosedur Umum Pelaksanaan Uji Triaksial

Meskipun detailnya bervariasi tergantung jenis uji (UU, CD, CU), prosedur umum pelaksanaan uji triaksial meliputi langkah-langkah berikut:

Persiapan Sampel: Sampel tanah yang tidak terganggu (undisturbed sample) atau sampel tanah remolded disiapkan dengan hati-hati dalam bentuk silinder dengan dimensi standar. Penting untuk meminimalkan gangguan pada sampel agar hasilnya representatif.
Pemasangan Sampel: Sampel ditempatkan di atas pedestal sel triaksial, dibungkus dengan membran karet yang kedap air untuk mencegah kontak langsung antara sampel dengan air keliling. Pelat atas (top cap) kemudian diletakkan di atas sampel.
Pengisian Sel Triaksial: Sel triaksial diisi dengan air de-aired (air bebas udara) untuk memastikan transfer tekanan yang seragam ke sampel.
Penerapan Tekanan Keliling ( $σ_{3}$ ): Tekanan air secara bertahap diterapkan ke dalam sel hingga mencapai nilai tekanan keliling yang diinginkan.
Fase Konsolidasi (untuk uji CD dan CU): Jika uji yang dilakukan adalah CD atau CU, sampel diizinkan untuk berkonsolidasi di bawah tekanan keliling. Katup drainase dibuka, dan volume air yang keluar diukur sampai laju drainase menjadi nol atau sangat kecil, menandakan konsolidasi telah selesai. Untuk uji UU, fase ini dilewatkan.
Fase Pembebanan (Shearing Phase): Beban aksial diterapkan secara bertahap dengan kecepatan regangan yang konstan melalui piston. Selama fase ini, beban aksial, deformasi aksial, dan tekanan air pori (untuk uji CU) terus diukur. Pembebanan dilanjutkan hingga sampel mencapai keruntuhan atau regangan yang ditentukan.
Pencatatan Data: Data yang diperoleh (tegangan deviasi, regangan aksial, tekanan air pori) dicatat secara sistematis.
Pembongkaran dan Pemeriksaan Sampel: Setelah keruntuhan, sampel dibongkar dan diperiksa untuk mengamati mekanisme keruntuhan (misalnya, bidang geser yang terbentuk).

Interpretasi Hasil Uji Triaksial: Lingkaran Mohr dan Kriteria Coulomb

Data yang diperoleh dari uji triaksial (tegangan deviasi pada keruntuhan dan tegangan keliling) digunakan untuk menggambar lingkaran Mohr. Setiap titik data dari satu uji triaksial (yang dilakukan pada tekanan keliling tertentu) dapat diplot sebagai satu lingkaran Mohr. Sumbu horizontal lingkaran Mohr merepresentasikan tegangan normal ( $σ$ ), dan sumbu vertikal merepresentasikan tegangan geser ( $τ$ ).

Kriteria Keruntuhan Mohr-Coulomb adalah prinsip dasar dalam geoteknik yang menggambarkan kuat geser tanah. Kriteria ini menyatakan bahwa keruntuhan geser terjadi ketika kombinasi tegangan normal dan tegangan geser pada suatu bidang mencapai nilai kritis. Secara matematis, kriteria Mohr-Coulomb dinyatakan sebagai:

$τ_{f} = c + σ tan ϕ$

Di mana:

$τ_{f}$ adalah kuat geser tanah pada bidang keruntuhan.
$c$ adalah kohesi, yang merepresentasikan kekuatan geser intrinsik tanah saat tidak ada tegangan normal.
$σ$ adalah tegangan normal pada bidang keruntuhan.
$ϕ$ adalah sudut geser dalam, yang merepresentasikan resistansi geser tanah akibat gesekan antarpartikel.

Dengan menggambar beberapa lingkaran Mohr dari uji triaksial yang dilakukan pada tekanan keliling yang berbeda, kita dapat membuat sebuah garis singgung yang dikenal sebagai amplop keruntuhan Mohr-Coulomb. Interseksi garis ini dengan sumbu vertikal memberikan nilai kohesi ( $c$ ), dan sudut kemiringan garis terhadap sumbu horizontal memberikan nilai sudut geser dalam ( $ϕ$ ).

Penting untuk dicatat bahwa untuk uji CD, $c$ dan $ϕ$ yang diperoleh adalah parameter kuat geser efektif ( $c^{'}$ dan $ϕ^{'}$ ), sedangkan untuk uji UU, $c$ yang diperoleh adalah kuat geser undrained ( $s_{u}$ ) dan $ϕ_{uu}$ biasanya nol untuk tanah jenuh. Untuk uji CU, baik parameter kuat geser total maupun efektif dapat diperoleh, tergantung pada apakah tekanan air pori dipertimbangkan dalam analisis.

Keuntungan dan Keterbatasan Uji Triaksial

Keuntungan:

Replikasi Kondisi Lapangan: Uji triaksial memungkinkan replikasi kondisi tegangan tiga dimensi yang lebih akurat dibandingkan uji geser langsung.
Pengendalian Drainase: Kemampuan untuk mengontrol kondisi drainase (drained atau undrained) sangat krusial untuk mensimulasikan berbagai skenario pembebanan di lapangan.
Pengukuran Tekanan Air Pori: Uji CU memungkinkan pengukuran tekanan air pori, yang esensial untuk analisis tegangan efektif dan pemahaman perilaku tanah jenuh.
Parameter Kuat Geser Komprehensif: Uji ini menghasilkan parameter kuat geser ( $c$ dan $ϕ$ ) yang lebih andal dan dapat digunakan untuk berbagai analisis geoteknik.
Informasi Deformasi: Selain kuat geser, uji triaksial juga memberikan data kurva tegangan-regangan, yang penting untuk analisis deformasi dan penentuan modulus elastisitas tanah.

Keterbatasan:

Biaya dan Waktu: Uji triaksial adalah pengujian yang relatif mahal dan memakan waktu, terutama uji CD yang membutuhkan waktu lama untuk konsolidasi dan pembebanan.
Persiapan Sampel: Persiapan sampel yang tidak terganggu memerlukan keahlian tinggi dan peralatan khusus, dan gangguan pada sampel dapat memengaruhi hasil.
Kesulitan untuk Tanah Berkerikil: Pengujian sampel dengan butiran besar (kerikil atau batu) dapat menjadi sulit karena ukuran sampel yang terbatas.
Asumsi Homogenitas: Uji ini mengasumsikan sampel homogen, padahal tanah di lapangan seringkali bersifat heterogen.
Tegangan Intermediet: Uji triaksial konvensional tidak dapat secara langsung mengontrol tegangan intermediet ( $σ_{2}$ ), yang dianggap sama dengan tegangan minor ( $σ_{3}$ ). Ini merupakan keterbatasan untuk tanah yang anisotropik atau ketika $σ_{2}$ secara signifikan berbeda di lapangan.

Aplikasi Praktis Uji Triaksial dalam Rekayasa Geoteknik

Hasil dari uji triaksial memiliki dampak yang sangat luas dalam praktik rekayasa geoteknik. Beberapa aplikasinya meliputi:

Desain Fondasi: Penentuan kuat geser tanah sangat penting untuk menghitung daya dukung fondasi dangkal dan dalam, serta untuk memprediksi penurunan.
Analisis Stabilitas Lereng: Parameter kuat geser efektif dan undrained digunakan dalam analisis stabilitas lereng alami dan buatan untuk mencegah keruntuhan.
Desain Dinding Penahan Tanah: Perhitungan tekanan tanah lateral pada dinding penahan tanah memerlukan input parameter kuat geser.
Konstruksi Bendungan dan Tanggul: Uji triaksial membantu dalam desain bendungan dan tanggul dengan memahami perilaku tanah di bawah beban dan kondisi drainase yang berbeda.
Analisis Likuefaksi: Untuk tanah jenuh berpasir, uji CU dengan pengukuran tekanan air pori sangat penting untuk mengevaluasi potensi likuefaksi saat terjadi gempa.
Desain Terowongan dan Galian: Memahami perilaku deformasi dan kuat geser tanah di sekeliling terowongan atau galian sangat krusial untuk desain penopang dan analisis stabilitas.

Inovasi dan Perkembangan Terkini dalam Uji Triaksial

Seiring dengan kemajuan teknologi, uji triaksial juga terus mengalami inovasi. Sistem akuisisi data otomatis telah menjadi standar, meningkatkan akurasi dan efisiensi pengujian. Pengembangan sel triaksial yang lebih canggih, seperti sel triaksial anisotropik yang memungkinkan kontrol independen atas ketiga tegangan utama ( $σ_{1}, σ_{2}, σ_{3}$ ), telah membuka jalan bagi penelitian yang lebih mendalam tentang perilaku tanah yang kompleks. Selain itu, integrasi dengan teknik pencitraan seperti tomografi sinar-X memungkinkan visualisasi internal sampel selama pengujian, memberikan wawasan baru tentang mekanisme deformasi dan keruntuhan mikro.

Kesimpulan

Uji triaksial merupakan salah satu pilar utama dalam investigasi geoteknik. Kemampuannya untuk mereplikasi kondisi tegangan lapangan yang kompleks dan memberikan parameter kuat geser serta deformasi yang akurat menjadikannya alat yang tak tergantikan bagi para insinyur geoteknik. Dengan pemahaman yang mendalam tentang prinsip-prinsipnya, jenis-jenisnya, prosedur pelaksanaan, dan interpretasi hasilnya, kita dapat memastikan desain struktur tanah yang aman, stabil, dan berkelanjutan. Meskipun memiliki keterbatasan, inovasi yang terus berlanjut dalam metodologi uji triaksial akan terus memperkaya pemahaman kita tentang perilaku material geoteknik, membuka peluang baru untuk tantangan rekayasa di masa depan.

PT Global Teknik Pasundan adalah perusahaan yang bergerak pada bidang testing dan monitoring, kami menyediakan jasa pengujian Soil Test dengan berbagai metode, seperti Uji Sondir dan Uji Boring untuk kebutuhan pengujian struktur dan kualitas tanah. Kami juga menyediakan layanan jasa engineering lainnya dengan kualitas terbaik dan pastinya dengan harga yang bersahabat. Untuk informasi lebih lanjut, Anda dapat menghubungi kami di:

PT Global Teknik Pasundan