Mekanika tanah adalah cabang fisika tanah dan mekanika terapan yang menjelaskan perilaku tanah. Ini berbeda dari mekanika fluida dan mekanika padat dalam arti bahwa tanah terdiri dari campuran heterogen cairan (biasanya udara dan air) dan partikel (biasanya tanah liat, lanau, pasir, dan kerikil) tetapi tanah juga dapat mengandung padatan organik dan bahan lainnya. Bersamaan dengan mekanika batuan, mekanika tanah menyediakan landasan teoretis untuk analisis dalam rekayasa geoteknik, subdisiplin teknik sipil, dan geologi teknik, subdisiplin geologi. Mekanika tanah digunakan untuk menganalisis deformasi dan aliran fluida di dalam struktur alami dan buatan manusia yang disangga atau terbuat dari tanah, atau struktur yang terkubur di dalam tanah.Contoh aplikasinya adalah pondasi bangunan dan jembatan, dinding penahan, bendungan, dan sistem perpipaan yang terkubur. Prinsip-prinsip mekanika tanah juga digunakan dalam disiplin terkait seperti teknik geofisika, teknik pesisir, teknik pertanian, hidrologi, dan fisika tanah.
Artikel ini menjelaskan asal-usul dan komposisi tanah, perbedaan antara tekanan air pori dan tegangan efektif antar butiran, aksi kapiler fluida dalam ruang pori tanah, klasifikasi tanah, rembesan dan permeabilitas, perubahan volume yang bergantung waktu akibat memeras air keluar ruang pori kecil, juga dikenal sebagai konsolidasi, kekuatan geser dan kekakuan tanah. Kekuatan geser tanah terutama berasal dari gesekan antara partikel dan saling mengunci, yang sangat sensitif terhadap tegangan efektif. Artikel diakhiri dengan beberapa contoh penerapan prinsip mekanika tanah seperti stabilitas lereng, tekanan tanah lateral pada dinding penahan tanah, dan daya dukung pondasi.
Gambar: Menara Miring Pisa—contoh masalah akibat deformasi tanah.
Gambar: Masalah ketidakstabilan lereng untuk tanggul pengendali banjir sementara di North Dakota, 2009
Gambar: Pekerjaan tanah di Jerman
Gambar: Gletser Fox, Selandia Baru: Tanah diproduksi dan diangkut oleh pelapukan dan erosi yang intens.
Kejadian dan komposisi tanah
Asal
Mekanisme utama pembentukan tanah adalah pelapukan batuan. Semua jenis batuan (batuan beku, batuan metamorf, dan batuan sedimen) dapat dipecah menjadi partikel-partikel kecil untuk menghasilkan tanah. Mekanisme pelapukan adalah pelapukan fisik, pelapukan kimiawi, dan pelapukan biologis. Aktivitas manusia seperti penggalian, peledakan, dan pembuangan limbah, juga dapat membentuk tanah. Seiring waktu geologis, tanah yang terkubur dalam dapat diubah oleh tekanan dan suhu menjadi batuan metamorf atau sedimen, dan jika dicairkan dan dipadatkan kembali, mereka akan menyelesaikan siklus geologis dengan menjadi batuan beku.
Pelapukan fisik meliputi efek suhu, pembekuan dan pencairan air di celah-celah, hujan, angin, tumbukan dan mekanisme lainnya. Pelapukan kimia meliputi pembubaran materi penyusun batuan dan pengendapan dalam bentuk mineral lain. Mineral lempung, misalnya dapat dibentuk oleh pelapukan feldspar, yang merupakan mineral paling umum yang terdapat dalam batuan beku.
Konstituen mineral yang paling umum dari lanau dan pasir adalah kuarsa, juga disebut silika, yang memiliki nama kimia silikon dioksida. Alasan feldspar paling umum di bebatuan tetapi silika lebih umum di tanah karena feldspar jauh lebih mudah larut daripada silika.
Lumpur, Pasir, dan Kerikil pada dasarnya adalah potongan-potongan kecil bebatuan yang pecah.
Menurut Sistem Klasifikasi Tanah Terpadu, ukuran partikel lanau berada pada kisaran 0,002 mm hingga 0,075 mm dan partikel pasir memiliki ukuran pada kisaran 0,075 mm hingga 4,75 mm.
Partikel kerikil adalah pecahan batuan dalam kisaran ukuran 4,75 mm hingga 100 mm. Partikel yang lebih besar dari kerikil disebut cobbles dan boulder.
Pemindahan
Endapan tanah dipengaruhi oleh mekanisme transportasi dan pengendapan ke lokasinya. Tanah yang tidak terangkut disebut tanah sisa—mereka ada di lokasi yang sama dengan batuan asalnya. Granit yang membusuk adalah contoh umum dari sisa tanah. Mekanisme transportasi yang umum adalah aksi gravitasi, es, air, dan angin. Tanah yang tertiup angin termasuk gundukan pasir dan loess. Air membawa partikel dengan ukuran yang berbeda-beda tergantung pada kecepatan air, sehingga tanah yang diangkut oleh air diurutkan berdasarkan ukurannya. Lumpur dan tanah liat dapat mengendap di danau, dan kerikil serta pasir terkumpul di dasar dasar sungai. Endapan tanah yang tertiup angin (tanah aeolian) juga cenderung diurutkan menurut ukuran butirannya. Erosi di dasar gletser cukup kuat untuk mengangkat bebatuan besar dan bongkahan batu besar serta tanah; tanah yang dijatuhkan oleh es yang mencair bisa menjadi campuran bergradasi baik dengan ukuran partikel yang sangat bervariasi. Gravitasi sendiri juga dapat membawa partikel turun dari puncak gunung untuk membuat tumpukan tanah dan batu besar di dasarnya; endapan tanah yang diangkut oleh gravitasi disebut colluvium.
Gambar: Contoh horizon tanah. a) tanah pucuk dan colluvium b) tanah residu dewasa c) tanah residu muda d) batuan lapuk.
Mekanisme transportasi juga memiliki pengaruh besar pada bentuk partikel. Misalnya, penggilingan kecepatan rendah di dasar sungai akan menghasilkan partikel bulat. Partikel colluvium yang baru direkahkan seringkali memiliki bentuk yang sangat bersudut.
Komposisi tanah
Mineralogi tanah
Lanau, pasir, dan kerikil diklasifikasikan berdasarkan ukurannya, dan karenanya dapat terdiri dari berbagai mineral. Karena stabilitas kuarsa dibandingkan dengan mineral batuan lainnya, kuarsa adalah konstituen pasir dan lanau yang paling umum. Mika, dan feldspar adalah mineral umum lainnya yang ada di pasir dan lanau. Konstituen mineral kerikil mungkin lebih mirip dengan batuan induknya.
Mineral lempung yang umum adalah montmorillonit atau smektit, ilit, dan kaolinit atau kaolin. Mineral-mineral ini cenderung terbentuk dalam struktur seperti lembaran atau pelat, dengan panjang biasanya berkisar antara 10−7 m dan 4x10−6 m dan ketebalan biasanya berkisar antara 10−9 m dan 2x10−6 m, dan memiliki luas permukaan spesifik yang relatif besar. . Luas permukaan spesifik (SSA) didefinisikan sebagai rasio luas permukaan partikel dengan massa partikel. Mineral lempung biasanya memiliki luas permukaan spesifik dalam kisaran 10 hingga 1.000 meter persegi per gram padatan. Karena luas permukaan yang besar yang tersedia untuk interaksi kimia, elektrostatik, dan van der Waals, perilaku mekanik mineral lempung sangat sensitif terhadap jumlah cairan pori yang tersedia dan jenis serta jumlah ion terlarut dalam cairan pori.
Mineral tanah sebagian besar dibentuk oleh atom oksigen, silikon, hidrogen, dan aluminium, tersusun dalam berbagai bentuk kristal. Unsur-unsur ini bersama dengan kalsium, natrium, kalium, magnesium, dan karbon membentuk lebih dari 99 persen massa padat tanah.[1]
Distribusi ukuran butir
Tanah terdiri dari campuran partikel dengan ukuran, bentuk, dan mineralogi yang berbeda. Karena ukuran partikel jelas memiliki pengaruh yang signifikan terhadap perilaku tanah, ukuran butir dan distribusi ukuran butir digunakan untuk mengklasifikasikan tanah. Distribusi ukuran butir menggambarkan proporsi relatif partikel dari berbagai ukuran. Ukuran butir sering divisualisasikan dalam grafik distribusi kumulatif yang, misalnya, memplot persentase partikel yang lebih halus dari ukuran tertentu sebagai fungsi ukuran. Ukuran butir median, 50, adalah ukuran yang 50% massa partikelnya terdiri dari partikel yang lebih halus. Perilaku tanah, terutama konduktivitas hidrolik, cenderung didominasi oleh partikel yang lebih kecil, oleh karena itu, istilah "ukuran efektif", dilambangkan dengan 10, didefinisikan sebagai ukuran yang 10% massa partikelnya terdiri dari partikel yang lebih halus.
Pasir dan kerikil yang memiliki berbagai ukuran partikel dengan distribusi ukuran partikel yang halus disebut tanah bergradasi baik. Jika partikel tanah dalam sampel sebagian besar berada dalam kisaran ukuran yang relatif sempit, sampel tersebut bergradasi seragam. Jika sampel tanah memiliki celah yang jelas pada kurva gradasi, misalnya, campuran kerikil dan pasir halus, tanpa pasir kasar, sampel dapat diberi gradasi celah. Tanah bergradasi seragam dan bergradasi celah keduanya dianggap bergradasi buruk. Ada banyak metode untuk mengukur distribusi ukuran partikel. Dua metode tradisional adalah analisis saringan dan analisis hidrometer.
Analisis saringan
Distribusi ukuran partikel kerikil dan pasir biasanya diukur dengan menggunakan analisis saringan. Prosedur formal dijelaskan dalam ASTM D6913-04(2009). Tumpukan saringan dengan lubang berdimensi akurat di antara jaring kabel digunakan untuk memisahkan partikel menjadi wadah ukuran. Volume tanah kering yang diketahui, dengan gumpalan yang dipecah menjadi partikel individu, diletakkan di atas tumpukan saringan yang disusun dari kasar hingga halus. Tumpukan saringan dikocok untuk jangka waktu standar sehingga partikel dipilah ke dalam wadah ukuran. Metode ini bekerja cukup baik untuk partikel dalam kisaran ukuran pasir dan kerikil. Partikel halus cenderung menempel satu sama lain, dan karenanya proses pengayakan bukanlah metode yang efektif. Jika terdapat banyak partikel halus (lanau dan lempung) di dalam tanah, mungkin perlu mengalirkan air melalui saringan untuk membersihkan partikel kasar dan gumpalan.
Gambar: saringan
Berbagai ukuran saringan tersedia. Batas antara pasir dan lanau bersifat arbitrer. Menurut Unified Soil Classification System, saringan #4 (4 bukaan per inci) dengan ukuran bukaan 4,75 mm memisahkan pasir dari kerikil dan saringan #200 dengan bukaan 0,075 mm memisahkan pasir dari lanau dan lempung. Menurut standar Inggris, 0,063 mm adalah batas antara pasir dan lanau, dan 2 mm adalah batas antara pasir dan kerikil.
Analisis hidrometer
Klasifikasi tanah berbutir halus, yaitu tanah yang lebih halus dari pasir, terutama ditentukan oleh batas Atterbergnya, bukan oleh ukuran butirnya. Jika penting untuk menentukan distribusi ukuran butir tanah berbutir halus, uji hidrometer dapat dilakukan. Dalam uji hidrometer, partikel tanah dicampur dengan air dan dikocok untuk menghasilkan suspensi encer di dalam silinder kaca, kemudian silinder didiamkan. Hidrometer digunakan untuk mengukur massa jenis suspensi sebagai fungsi waktu. Partikel tanah liat mungkin membutuhkan waktu beberapa jam untuk mengendap melewati kedalaman pengukuran hidrometer. Partikel pasir mungkin membutuhkan waktu kurang dari satu detik. Hukum Stoke memberikan dasar teoritis untuk menghitung hubungan antara kecepatan sedimentasi dan ukuran partikel. ASTM memberikan prosedur terperinci untuk melakukan uji Hidrometer.
Partikel lempung bisa sangat kecil sehingga tidak pernah mengendap karena tersuspensi oleh gerak Brown, dalam hal ini dapat diklasifikasikan sebagai koloid.
Klasifikasi tanah
Insinyur geoteknik mengklasifikasikan jenis partikel tanah dengan melakukan tes pada sampel tanah yang terganggu (dikeringkan, melewati saringan, dan dicetak ulang). Hal ini memberikan informasi tentang karakteristik butiran tanah itu sendiri. Klasifikasi jenis butiran yang terdapat dalam tanah tidak memperhitungkan efek penting dari struktur atau susunan tanah, istilah yang menggambarkan kekompakan partikel dan pola dalam susunan partikel dalam kerangka pemikul beban serta ukuran pori dan distribusi fluida pori. Ahli geologi teknik juga mengklasifikasikan tanah berdasarkan asal-usul dan sejarah pengendapan.
Klasifikasi butiran tanah
Di AS dan negara lain, Unified Soil Classification System (USCS) sering digunakan untuk klasifikasi tanah. Sistem klasifikasi lainnya termasuk British Standard BS 5930 dan sistem klasifikasi tanah AASHTO.
Klasifikasi pasir dan kerikil
Di USCS, kerikil (diberi simbol G) dan pasir (diberi simbol S) diklasifikasikan menurut distribusi ukuran butirnya. Untuk USCS, kerikil dapat diberi simbol klasifikasi GW (kerikil bergradasi baik), GP (kerikil bergradasi buruk), GM (kerikil dengan banyak lanau), atau GC (kerikil dengan banyak lempung). Demikian juga pasir dapat diklasifikasikan sebagai SW, SP, SM atau SC. Pasir dan kerikil dengan jumlah halus yang kecil tetapi tidak dapat diabaikan (5–12%) dapat diberi klasifikasi ganda seperti SW-SC.
Flownet
Gambar: Jaring aliran rencana untuk memperkirakan aliran air dari sungai ke sumur pembuangan
Hukum Darcy berlaku dalam satu, dua atau tiga dimensi. Dalam dua atau tiga dimensi, rembesan keadaan tunak dijelaskan oleh persamaan Laplace. Program komputer tersedia untuk menyelesaikan persamaan ini. Namun secara tradisional masalah rembesan dua dimensi diselesaikan dengan menggunakan prosedur grafis yang disebut flownet.Satu set garis pada flownet searah dengan aliran air (flow lines), dan set garis lainnya searah dengan head total konstan (garis ekipotensial). Jaring alir dapat digunakan untuk memperkirakan jumlah rembesan di bawah bendungan dan tumpukan lembaran.
Kekuatan rembesan dan erosi
Ketika kecepatan rembesan cukup besar, erosi dapat terjadi karena gaya gesekan yang diberikan pada partikel tanah. Rembesan vertikal ke atas merupakan sumber bahaya di sisi hilir tumpukan lembaran dan di bawah kaki bendungan atau tanggul. Erosi tanah, yang dikenal sebagai "perpipaan tanah", dapat menyebabkan kegagalan struktur dan pembentukan lubang runtuhan. Air yang merembes menghilangkan tanah, mulai dari titik keluar rembesan, dan erosi memajukan peningkatan. Istilah "sand boil" digunakan untuk menggambarkan penampakan ujung pemakaian pipa tanah yang aktif.
Tekanan rembesan
Rembesan ke arah atas mengurangi tegangan efektif di dalam tanah. Ketika tekanan air pada suatu titik di dalam tanah sama dengan tegangan vertikal total pada titik tersebut, tegangan efektif adalah nol dan tanah tidak memiliki ketahanan gesekan terhadap deformasi. Untuk lapisan permukaan, tegangan efektif vertikal menjadi nol di dalam lapisan ketika gradien hidraulik ke atas sama dengan gradien kritis. Pada tegangan nol efektif tanah memiliki kekuatan yang sangat kecil dan lapisan tanah yang relatif kedap air dapat naik karena tekanan air yang mendasarinya. Hilangnya kekuatan karena rembesan ke atas merupakan kontributor umum kegagalan tanggul. Kondisi tegangan efektif nol yang terkait dengan rembesan ke atas juga disebut likuifaksi, pasir apung, atau kondisi mendidih. Pasir apung dinamai demikian karena partikel tanah bergerak dan tampak 'hidup' (arti alkitabiah dari 'cepat' – bukan 'mati'). (Perhatikan bahwa tidak mungkin 'terhisap' ke dalam pasir isap. Sebaliknya, Anda akan mengapung dengan setengah tubuh Anda keluar dari air.)
Sumber: wikipedia