pengantar
Permeabilitas adalah salah satu sifat fisik tanah yang penting karena beberapa masalah utama mekanika tanah berhubungan langsung dengannya. Desain jalan raya, bandara, bendungan tanah, konstruksi pondasi di bawah permukaan air, hasil dari sumur, penurunan pondasi dll. tergantung pada permeabilitas tanah. Oleh karena itu, untuk menjadi seorang insinyur tanah yang baik, pengetahuan tentang permeabilitas sangatlah penting. Suatu bahan dikatakan permeabel jika mengandung rongga yang menerus. Karena rongga seperti itu terkandung di semua tanah termasuk tanah liat yang paling kaku, semua ini dapat ditembus. Kerikil sangat permeabel dan tanah liat kaku adalah tanah yang paling tidak permeabel.
Pentingnya Permeabilitas:
Pengetahuan tentang permeabilitas penting untuk masalah teknik berikut:
(i) Rembesan melalui bendungan dan kanal tanah.
(ii) Tekanan tidak sesuai di bawah struktur hidrolik dan keamanan terhadap perpipaan
(iii) Laju penurunan lapisan tanah kompresibel jenuh.
(iv) Hasil dari sumur dan drainase lahan pertanian yang tergenang air.
(v) Kestabilan lereng hulu dan hilir bendungan.
Definisi:
Permeabilitas:
Permeabilitas adalah sifat tanah yang memungkinkan air melewati rongga-rongga yang saling berhubungan.
Aliran Laminar:
Aliran di mana semua partikel air bergerak dalam jalur paralel tanpa melintasi jalur partikel lain.
Aliran Turbulen:
Aliran di mana semua partikel air bergerak dalam jalur zig-zag.
Gradien Hidraulik:
Loos kepala hidrolik per satuan jarak aliran disebut gradien hidrolik. Pertimbangkan aliran jenuh melalui massa tanah berpori yang seragam dengan panjang ‘L’ dan misalkan h P1 dan h P2 menjadi tinggi piezometrik” atau “tinggi tekanan” masing-masing pada muka masuk dan keluar. Misalkan + Z 1 dan – Z 2 adalah head elevasi pada muka masuk dan keluar dengan asumsi muka air di hilir sebagai garis datum. Head kecepatan untuk aliran melalui tanah dapat diabaikan.
Penentuan Gradien Hidrolik:
Head total = Head tekanan + Head elevasi
Total kepala di muka entri,
H 1 = hp 1 + Z 1
Kepala total di sisi pintu keluar
H 2 = hp 2 – Z 2 = 0
Total perbedaan kepala
H = h 1 -h 2 = h P1 +z 1 -0 = h P1 +z 1
[••• hp 2 = Z 2 ]
Perbedaan head total ini disebut sebagai head hidrolik atau ‘head loss’ atau ‘head drop’. Setiap elevasi dapat dipilih untuk datum, sebagai dasar kepala elevasi. Keuntungan dari memilih elevasi muka air hilir sebagai datum adalah bahwa head total pada pintu keluar menjadi nol dan elevasi air dalam piezometer pada setiap titik di tanah yang diukur di atas garis datum memberikan head hidrolik secara langsung.
h = hp ± z
di mana hp = Kepala piezometrik
z = Tinggi kepala
Hilangnya head per satuan jarak aliran (atau sepanjang aliran) disebut gradien hidrolik. Itu dilambangkan dengan ‘aku’
Saya = h/L
Di mana
h = kehilangan kepala
L = panjang sepanjang jalur aliran dimana head loss adalah h.
Hukum Darcy:
Pada pertengahan abad ke-18 H. Darcy yang bekerja di Paris mempelajari secara eksperimental aliran air melalui tanah. Untuk aliran laminar melalui tanah jenuh Darcy menetapkan secara eksperimental bahwa laju aliran ‘q’ melintasi luas penampang ‘A’ tanah sebanding dengan gradien hidrolik”.
q = KIA
Atau q/A = ki
atau V = Ki
dimana V = Kecepatan aliran
K = Koefisien permeabilitas
i = Gradien hidrolik
Hukum Darcy berlaku selama alirannya laminar. Ini diterapkan pada fraksi tanah yang lebih halus daripada kerikil halus.
Kecepatan Aliran (atau Kecepatan Debit):
Ini adalah kecepatan semu yang sama dengan laju aliran rata-rata melintasi satu unit area kotor di dalam tanah.
Laju aliran adalah volume air yang mengalir per satuan waktu.
Kecepatan rembesan:
Kecepatan rembesan adalah kecepatan sebenarnya atau sebenarnya dengan mana air mengalir melalui rongga tanah.
Le A v menjadi area rongga dan
A adalah luas kotor tanah yang tegak lurus arah aliran. Laju aliran dapat disamakan dengan q = VA = A V .V S
atau V s = V× A/A V
atau VS = V/n
Panjang aliran sama untuk kedua kasus dan n = Volume rongga/ Volume total]
Atau V S = (1+e/e) V
Dimana V Kecepatan aliran
V S = Kecepatan rembesan
e = rasio kekosongan
n = Porositas
Karena (1+e/e) selalu lebih besar dari satu, Vg selalu lebih besar dari V.
Koefisien Permeabilitas:
Kita tahu q = KIA (hukum Darcy)
Menempatkan A = 1 dan I = 1 dalam persamaan kita dapatkan
K =q
yaitu koefisien permeabilitas, juga dikenal sebagai konduktivitas hidrolik, dapat didefinisikan sebagai laju aliran air di bawah kondisi aliran laminar melalui satuan luas penampang media berpori di bawah satuan gradien hidrolik dan kondisi suhu standar (biasanya 27°). °C di india). Satuan K mirip dengan kecepatan yaitu, baik m/s atau, cm/s dll.
Hubungan empiris antara K dan D 10 yang dikembangkan oleh Hazen (1911) untuk pasir lepas dan bersih adalah
K = CD10 2
dimana K = koefisien permeabilitas (cm/s)
C = Koefisien Hazen = 0,8 hingga 1,2 (biasanya digunakan 1,0)
D 10 = Ukuran efektif tanah
Koefisien Perkolasi:
Kecepatan rembesan juga sebanding dengan gradien hidrolik.
Faktor-faktor yang Mempengaruhi Permeabilitas:
Permeabilitas dapat diperoleh dari persamaan teoritis Kozeny-Carman untuk aliran melalui media berpori
K = CD 2 0 (e 3 +1+e)γw /n ……………(4.3)
Dimana C = Faktor bentuk komposit
D 0 = Ukuran partikel representatif
e = rasio kekosongan
γ w = Massa jenis air,
n = Viskositas air
Faktor-faktor yang mempengaruhi permeabilitas adalah:
(i) Sifat-sifat cairan pori
(ii) Ukuran dan bentuk partikel
(iii) Rasio rongga tanah
(iv) Susunan struktural partikel tanah
(v) Tingkat kejenuhan
(vi) Air yang terserap
(viii) Stratifikasi
(i) Sifat fluida pori:
Dari persamaan 4.3 jelas bahwa densitas dan viskositas adalah dua sifat fisik fluida pori (atau air) yang mempengaruhi permeabilitas. Koefisien permeabilitas berbanding lurus dengan massa jenis air dan berbanding terbalik dengan viskositasnya. Nilai densitas air tidak banyak berubah dengan perubahan temperatur tetapi terdapat variasi viskositas yang besar. Viskositas menurun dengan kenaikan suhu dan karenanya permeabilitas meningkat dengan kenaikan suhu.
(ii) Ukuran dan bentuk partikel:
Permeabilitas tanah berbanding lurus dengan kuadrat ukuran partikel seperti pada persamaan 4.3. Ini adalah faktor paling signifikan yang mempengaruhi permeabilitas tanah karena menentukan rasio pori, ukuran dan bentuk pori-pori dalam massa tanah. Tanah kasar memiliki ukuran pori yang lebih besar dan di sini koefisien permeabilitas K lebih besar daripada tanah berbutir halus.
(iii) Rasio rongga tanah:
Pengaruh nyata dari rasio pori pada permeabilitas tanah seperti yang ditunjukkan dalam persamaan 4.3 telah diverifikasi secara eksperimental.
Kαe 3 / 1+e
Dari persamaan di atas jelas bahwa K berbanding lurus dengan angka pori yaitu semakin besar angka pori tanah maka semakin besar pula permeabilitasnya. Hubungan semi-log juga ada antara K dan e. Plot log K (skala log) Vg e (skala linier) kira-kira berupa garis lurus baik tanah berbutir kasar maupun tanah berbutir halus.
(iv) Susunan struktural partikel tanah:
Susunan struktural partikel tanah bervariasi, pada rasio pori yang sama, tergantung pada metode pemadatan massa tanah. Permeabilitas sampel yang terganggu mungkin berbeda dari sampel yang tidak terganggu pada rasio pori yang sama. Pengaruh gangguan struktural pada permeabilitas banyak terlihat pada tanah berbutir halus.
(v) Tingkat kejenuhan:
Permeabilitas tanah diamati bervariasi secara langsung dengan pangkat tiga derajat kejenuhan. Dengan demikian semakin jenuh tanah, semakin besar pula permeabilitasnya. Namun tekanan udara yang terperangkap dalam pori-pori tanah menghalangi aliran air.
(vi) Air yang terserap:
Partikel halus tanah liat dikelilingi oleh film air yang terserap. Kekuatan adsorpsi dan pengembangan lapisan ion difus di sekitar partikel tanah liat menciptakan lapisan air hidrodinamik yang tidak bergerak, sehingga mengurangi ruang pori efektif yang tersedia untuk rembesan.
(vii) Stratifikasi:
Tanah berlapis memiliki karakteristik permeabilitas yang berbeda. Permeabilitas tanah yang sama lebih besar ketika alirannya sejajar dengan lapisan daripada permeabilitas ketika alirannya tegak lurus dengan lapisan.
Metode Penentuan Koefisien Permeabilitas:
Koefisien permeabilitas dapat ditentukan dengan metode berikut:
(a) Metode laboratorium [Metode langsung]
(i) Tes permeabilitas kepala konstan
(ii) Tes kepala jatuh.
(b) Metode lapangan
(i) Tes pemompaan
(ii) Pemompaan dalam pengujian
(c) ‘Metode tidak langsung
(i) Perhitungan dari ukuran butir (K = CD 10 2 ).
(ii) Uji kapilaritas horizontal
(iii) Data uji terkonsolidasi.
Tes Permeabilitas Kepala Konstan:
Gambar 4.3 menunjukkan representasi diagram tes. 
Aliran air dari tangki overhead terdiri dari tiga tabung: inlet, outlet dan overflow tube. Kepala konstan ‘h’ dipertahankan selama pengujian. Karena panjang sampel tanah ‘L’ tetap selama pengujian, gradien hidrolik ‘i’ tetap konstan selama pengujian
Kita tahu I = h/L
Dimana h = selisih tinggi muka air tangki atas dan tangki bawah. Jika Q adalah jumlah total aliran dalam interval waktu ‘t’, kita telah membentuk hukum Darcy.
Pengukuran Q dilakukan setelah mencapai kondisi tunak. Pengujian diulangi dua atau tiga kali dan diambil nilai rata-rata Q untuk perhitungan K. Pengujian ini cocok untuk tanah berbutir kasar dimana debit yang masuk akal dapat dikumpulkan dalam waktu tertentu.
Tes Permeabilitas Kepala Jatuh:
Falling head test cocok untuk tanah yang kurang permeabel. Sebuah pipa tegak dengan luas penampang ‘a’ dipasang dengan permeameter dan air dibiarkan mengalir ke bawah melalui pipa ini. Ketinggian air di pipa tegak terus turun saat air mengalir. Pengamatan dimulai setelah aliran tunak tercapai. Head setiap saat’t’ sama dengan perbedaan ketinggian air di pipa tegak dan tangki bawah.
Misalkan h 1 dan h 2 masing-masing adalah kepala pada selang waktu t 1 dan t 2 (t 1 > t 2 ). Misalkan h adalah kepala pada interval waktu antara t dan -dh adalah perubahan kepala dalam interval waktu yang lebih kecil ‘dt’ (tanda minus telah digunakan karena h berkurang dengan bertambahnya t). Dari hukum Darcy, laju aliran q diberikan oleh
Pengamatan laboratorium terdiri dari pengukuran kepala h 1 dan hg pada dua interval waktu yang dipilih t 1 dan t 2 . Rata-rata interval waktu diambil untuk perhitungan.
Lembar pengamatan untuk uji permeabilitas kepala jatuh:
Permeabilitas Tanah Stratifikasi:
Jika suatu profil tanah terdiri dari sejumlah strata yang memiliki permeabilitas berbeda, maka permeabilitas ekuivalen atau permeabilitas rata-rata tanah berbeda dalam arah sejajar dan normal terhadap strata tersebut. Untuk aliran yang sejajar dengan lapisan, gradien hidrolik di setiap lapisan adalah sama dan laju aliran total adalah jumlah dari laju aliran di ketiga lapisan tersebut.
Dimana K x = Setara atau permeabilitas rata-rata dalam arah sejajar dengan lapisan. Untuk aliran normal ke lapisan, laju aliran harus sama di semua lapisan untuk aliran tunak, dan karena luas aliran ‘A’ konstan, kecepatan aliran melintasi lapisan juga sama.
Dimana K z = permeabilitas ekivalen untuk aliran normal ke lapisan. Jadi permeabilitas ekuivalen untuk aliran sejajar strata selalu lebih besar daripada permeabilitas aliran normal ke strata yaitu, K x selalu lebih besar dari K z .
Contoh Soal:
Contoh 4.1:
Dalam uji permeabilitas kepala jatuh pada benda uji setinggi 6 cm dan luas penampang 50 cm2, ketinggian air di pipa penyangga, 0,8 cm2 dalam luas penampang, turun dari ketinggian 60 cm menjadi 20 cm dalam waktu 3 menit 20 melihat. Temukan permeabilitasnya.
Contoh 4.2:
Selama uji permeameter head konstan, aliran Q sebesar 160 cm^ diukur dalam 5 menit di bawah konstanta, head 15 cm. Benda uji memiliki panjang 6 cm dan luas penampang 50 cm 2 . Porositas n 1 benda uji adalah 42%. Tentukan permeabilitas, kecepatan aliran V dan kecepatan rembesan V s . Perkirakan K 2 untuk n 2 = 35%.
Solusi : Diketahui Q = 160 cm 3
L = 6 cm
Contoh 4.3:
Deposit pasir terdiri dari tiga lapisan horizontal dengan ketebalan yang sama. Permeabilitas lapisan atas dan bawah adalah 2 x10 -4 cm/s dan lapisan tengah adalah 3,2 x 10 -2 cm/s. Temukan permeabilitas yang setara dalam arah horizontal dan vertikal dan rasionya.
Contoh 4.4:
Hitung nilai koefisien permeabilitas tanah dengan diameter efektif 0,5 mm. Larutan:
Kita memiliki korelasi Hazen K = CD 2 10 cm/s
C = 1,0
D 10 = 0,5 mm
K = ?
K = 1,0 X (0,5) 2 cm/s = 0,25 cm/s Ans.
Contoh 4.5:
Sampel tanah diuji dalam permeameter kepala konstan. Diameter dan panjang sampel masing-masing 3 cm dan 15 cm. Di bawah kepala 30 cm, ditemukan debit 80 cc dalam 15 menit.
Menghitung:
(i) Koefisien permeabilitas
(ii) Jenis tanah yang digunakan dalam pengujian
(ii) Nilai K terletak antara 10 -1 sampai 10 -1 . Tanahnya terdiri dari kerikil halus, pasir kasar, sedang, dan halus.
Contoh 4.6:
Sampel tanah dengan panjang 5 cm dan luas penampang 60 cm, air yang meresap melalui sampel dalam 10 menit adalah 480 ml di bawah ketinggian konstan 40 cm. Berat sampel kering oven adalah 498 gram dan berat jenis tanah = 2,65.
Menghitung:
(i) Koefisien permeabilitas
(ii) Kecepatan rembesan.
CONTOH 4.7:
Koefisien permeabilitas sampel tanah ditemukan 1 X 10 -3 cm/s pada rasio pori 0,4. Perkirakan permeabilitasnya pada rasio pori 0,6. Solusi: Kita tahu bahwa:
Kαe 3 / 1+e
Contoh 4.8:
Jika selama uji permeabilitas pada sampel tanah dengan permeameter kepala jatuh, interval waktu yang sama dicatat untuk tetes kepala dari h 1 dan h 2 dan lagi dari h 1 ke h 2 , cari hubungan antara h 1 , h 2 dan h 3 .
Solusi: Untuk jatuh kepala dari h 1 dan h 2
