Kata tanah berasal dari kata Latin ‘solium’ yang berarti lapisan atas permukaan bumi. Kata ‘tanah’ ini memiliki arti yang berbeda untuk profesi yang berbeda. Bagi seorang petani, bahan permukaan tanah yang longgar adalah tempat tanaman tumbuh.
Bagi seorang ahli geologi, itu adalah materi yang dihasilkan sebagai hasil dari disintegrasi batuan dan yang belum diangkut dari posisi aslinya. Bagi seorang insinyur, tanah adalah akumulasi mineral atau partikel organik yang meningkat yang terjadi di zona di atas kerak batuan.
Tanah merupakan bahan bangunan yang tersedia dalam jumlah melimpah dan di banyak daerah pada dasarnya merupakan satu-satunya bahan bangunan yang tersedia secara lokal. Bumi telah digunakan untuk pembangunan monumen, makam, tempat tinggal, bangunan penampung air, dll. sejak zaman manusia Neolitik. Mekanika tanah adalah salah satu disiplin ilmu teknik sipil termuda yang melibatkan semua prinsip dan teknik dimana sifat-sifat tanah dipelajari secara ilmiah.
Definisi
Dr. Karl Van Terzaghi, yang disebut bapak mekanika tanah, mendefinisikan mekanika tanah sebagai berikut:
Mekanika tanah adalah penerapan hukum mekanika dan hidrolika untuk masalah teknik yang berhubungan dengan sedimen dan akumulasi partikel padat lain yang tidak terkonsolidasi yang dihasilkan oleh disintegrasi batuan secara mekanis dan kimiawi terlepas dari apakah batuan tersebut mengandung campuran atau konstituen organik atau tidak.
Untuk seorang insinyur sipil, studi tentang perilaku teknik dari berbagai jenis tanah sangat penting karena kenyataan bahwa semua struktur teknik sipil harus diistirahatkan dan didirikan di atas tanah. Kegagalan struktur tergantung pada karakteristik kekuatan tanah. Kekuatan tanah untuk menahan beban menjadi faktor penting dalam perencanaan pondasi struktur yang aman.
Cabang ilmu yang mempelajari sifat-sifat, sifat dan kinerja tanah sebagai bahan konstruksi dan pondasi disebut mekanika tanah.
IS : 2809-1972 mendefinisikan mekanika tanah sebagai “cabang teknik yang berhubungan dengan penerapan ilmu tanah, hukum statis dan dinamis, prinsip, mekanika dan hidrolika untuk masalah teknik yang berhubungan dengan tanah sebagai bahan konstruksi.”
Tujuan dari mekanika tanah adalah:
(i) Untuk melakukan investigasi bawah permukaan dan untuk mengembangkan metode pengambilan sampel tanah.
(ii) Untuk mengklasifikasikan sifat-sifat tanah untuk tujuan teknik sipil.
(iii) Menerapkan hasil tanah untuk penggunaan tanah sebagai bahan konstruksi.
Pentingnya Studi Tanah dalam Teknik Sipil:
Hingga awal abad ini, pentingnya mempelajari sifat-sifat tanah belum dirasakan. Sebagian besar bangunan bersejarah penting dibangun atas dasar pengalaman di daerah tersebut dan pengetahuan yang diwarisi dari nenek moyang. Tidak ada bukti penelitian ilmiah tentang tanah untuk konstruksi fondasi bangunan/struktur ini. Kegagalan struktur penting menarik perhatian insinyur sipil ke bidang ini.
Sebagian besar struktur sipil bertumpu pada permukaan tanah sehingga umur struktur ini bergantung pada daya dukung beban tanah. Daya dukung tanah tergantung pada berbagai sifat tanah. Sifat-sifat tanah yang berbeda dapat ditentukan dengan studi/penyelidikan tanah yang terperinci.
Setelah daya dukung dan sifat tanah lainnya diketahui, mudah bagi seorang insinyur / perancang geoteknik untuk memutuskan jenis pondasi yang cocok untuk tanah tertentu. Melalui studi tanah seorang insinyur dapat memutuskan apakah tanah tertentu cocok untuk konstruksi atau tidak. Beberapa tanah seperti gambut dan lanau organik sangat kompresibel sehingga tidak dapat digunakan sebagai bahan pondasi, sedangkan yang lain seperti pasir dan kerikil merupakan bahan pondasi yang sangat baik untuk sebagian besar proyek konstruksi.
Untuk proyek berukuran kecil, insinyur sipil dapat mengambil kesempatan untuk menebak sifat-sifat tanah berdasarkan pengalaman di daerah tersebut. Tapi kadang-kadang itu mungkin lebih mahal daripada biaya yang dihemat dengan tidak menyelidiki tanah. Salah satu sejarah kas tersebut adalah sebagai berikut. Pabrik kalsinasi (pembakaran batu kapur) akan dibangun di Assam. Perkiraan kapasitas pabrik adalah 100 ton per hari.
Pemilik proyek tidak tertarik dengan penyelidikan tanah dan pekerjaan konstruksi dimulai tanpa studi tanah. Penggalian dimulai untuk pondasi. Setelah selesai menggali tanah secara manual selama sehari, pemilik cukup puas bahwa pondasi dapat diletakkan pada kedalaman yang telah ditentukan sebelumnya karena tanahnya cukup keras. Keesokan harinya ditemukan bahwa lubang itu penuh dengan air dan tanah benar-benar gembur, berperilaku seperti cairan.
Masalah ini berlanjut dan akhirnya diputuskan untuk menghentikan penggalian setelah 5 meter dan kemudian berkonsultasi dengan seorang insinyur geoteknik untuk mengatasi masalah tersebut. Akhirnya tumpukan kayu didorong dan pondasi dibangun. Pemilik harus menginvestasikan lebih dari apa yang dia simpan pada awalnya dengan tidak memutuskan untuk penyelidikan tanah. Masalah di daerah itu adalah aliran air melewati lokasi dan tanah di bawah kedalaman 1 sangat kompresibel.
Untuk proyek-proyek besar seperti jalan tol bandara, bendungan dll. perkiraan sifat tanah dapat menyebabkan kegagalan pondasi dan kerugian ekonomi yang besar. Jadi selalu disarankan untuk melakukan studi tanah sebelum merancang fondasi struktur. Tingkat studi tanah dapat bervariasi berdasarkan pentingnya proyek dan dana yang tersedia untuk hal yang sama.
Pembentukan Tanah:
Bagian dalam bumi dalam keadaan cair, disebut magma. Batuan terbentuk karena pendinginan magma cair dan batuan ini dipecah menjadi tanah dan tanah diubah kembali menjadi batuan. Siklus ini disebut siklus geologi seperti yang ditunjukkan pada gambar 1.1.
Batuan merupakan bahan induk bagi tanah. Tanah dibentuk oleh disintegrasi dan dekomposisi batuan.
Disintegrasi batuan disebabkan oleh :
(i) Pelapukan mekanis
(ii) Dekomposisi kimiawi
(iii) Dekomposisi biologis.
(1) Pelapukan Mekanis:
Ini juga dikenal sebagai disintegrasi fisik. Dalam proses ini, disintegrasi batuan disebabkan oleh agen fisik seperti akar tanaman, embun beku, pemuaian termal, dll.
(a) Akar tanaman:
Tanaman dan pohon tumbuh di bebatuan. Akar tanaman dan pohon ini masuk ke dalam retakan dan retakan bebatuan. Seiring waktu, akar ini menjadi lebih tebal dan menyebabkan tekanan pada batuan yang menyebabkan disintegrasi.
(b) Beku:
Air masuk ke dalam retakan dan celah batuan saat hujan. Di iklim dingin, air menjadi beku dan volumenya meningkat. Karena peningkatan tekanan volume diinduksi dalam retakan yang menyebabkan disintegrasi batuan.
(c) Ekspansi termal:
Batuan memiliki mineral yang berbeda di dalamnya. Mineral yang berbeda memiliki koefisien ekspansi termal yang berbeda. Karena variasi suhu, mineral ini mengembang dan bersentuhan. Tegangan dikembangkan karena ekspansi berulang dan kontraksi batuan, mengakibatkan disintegrasi dan pembentukan tanah.
(d) Abrasi:
Abrasi batuan terjadi di bawah pengaruh:
(i) Air yang mengalir
(ii) Hembusan angin
(iii) Es yang bergerak, dikenal sebagai gletser. Abrasi ini mengakibatkan terbentuknya tanah.
(2) Dekomposisi Kimiawi:
Ini juga disebut pelapukan kimia. Dalam proses ini, identitas partikel mineral dihancurkan dan senyawa kimia baru terbentuk seperti partikel tanah liat, silikon, karbonat, dan besi oksida. Dekomposisi kimia tergantung pada tekanan air, suhu dan bahan terlarut dalam air. Pelapukan kimia bergantung pada permukaan yang tersedia untuk reaksi, suhu, dan keberadaan fluida yang aktif secara kimiawi.
Proses berikut terlibat dalam pelapukan kimia:
(i) Oksidasi:
Ini adalah proses di mana ion oksigen bergabung dengan ion besi menjadi oksida besi. Batuan yang mengandung besi mengalami dekomposisi kimia melalui oksidasi. Reaksi yang terlibat dalam proses ini adalah
4Fe +2 + 3O 2 — = 2Fe 2 0 3
(ii) Hidrasi:
Hidrasi adalah proses penggabungan mineral batuan dengan air membentuk senyawa baru yang berbeda dengan mineral induknya. Dekomposisi batuan terjadi karena perubahan volume yang menimbulkan tekanan fisik di dalam batuan.
(iii) Karbonasi:
Ini adalah proses di mana karbon dioksida (CO 2 ) yang ada di atmosfer bergabung dengan air untuk membentuk asam karbonat. Asam karbonat ini bereaksi dengan mineral batuan menyebabkan dekomposisi.
Reaksi yang terlibat dalam karbonasi adalah:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca (HCO 3 ) 2
Karbonasi sangat umum di daerah yang memiliki banyak batu kapur.
(iv) Hidrolisis:
Hidrolisis adalah pelapukan kimia yang mempengaruhi mineral silikat. Dalam reaksi seperti itu, air murni terionisasi sedikit dan bereaksi dengan mineral silikat. Sebagai contoh:
Feldspar kalium dalam hidrolisis air asam menjadi kaolinit, kuarsa, dan kalium hidroksida
2KAISi 3 O 8 + 3H 2 O = Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + 4SiO 2 + 2KOH
(v) Pencucian:
Leaching adalah penghilangan bahan terlarut dengan melarutkannya dari padatan. Dalam proses ini beberapa mineral larut dari batuan dan diendapkan secara terpisah menyebabkan dekomposisi.
(3) Dekomposisi Biologis:
Pemecahan bahan organik dalam tanah seluruhnya dilakukan oleh mikroorganisme. Bakteri dan mikroorganisme lainnya menginduksi perubahan kimiawi di sekitarnya dengan menghasilkan asam organik, yang membantu pelapukan tanah.
Klasifikasi Geologi Tanah:
Secara geologis, tanah dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok:
(i) Sisa tanah
(ii) Tanah yang diangkut.
Tanah Residu:
Tanah yang tetap pada tempat pembentukannya disebut tanah residual. Jika laju dekomposisi batuan melebihi laju penghilangan produk dekomposisi, terjadi akumulasi sisa tanah. Ketebalan tanah sisa tergantung pada iklim, waktu dan jenis batuan induk. Tanah ini ditemukan langsung di atas batuan induk. Batuan abaikan dan batuan sedimen merupakan bahan induk bagi tanah sisa.
Profil tanah residual dapat dibagi menjadi tiga zona:
(a) Zona atas, di mana terdapat tingkat pelapukan dan pembuangan material yang tinggi.
(b) Zona antara, di mana terjadi pelapukan di bagian atas zona, tetapi terjadi pengendapan di bagian bawah zona.
(c) Zona lapuk sebagian, dimana terjadi peralihan dari bahan lapuk ke batuan induk yang tidak lapuk.
Tanah yang Diangkut:
Tanah yang diangkut adalah tanah yang dibawa dari tempat pembentukannya ke suatu tempat lain oleh badan pengangkut. Agen transportasi dapat berupa gletser, air, angin atau gravitasi. Badan-badan pengangkutan ini bertindak sendiri-sendiri atau bersama-sama.
Tanah yang Diangkut Gletser:
Tanah yang diangkut gletser termasuk material yang diangkut dan disimpan kembali oleh gletser atau oleh air es yang mengalir dari gletser. Gletser membawa serta puing-puing mineral dalam jumlah besar yang bercampur dengan es dan terbawa. Itu disimpan ketika es mencair bermil-mil jauhnya dari posisi semula.
Jenis simpanan ini dibedakan dengan menggunakan terminologi berikut:
(a) Moraina:
Moraine adalah bahan glasial yang diendapkan oleh es dan bukan oleh air yang mencair.
(b) Melayang:
Drift adalah material yang diangkut oleh gletser dan diendapkan dari air yang mencair. Drift memiliki susunan bertingkat.
(c) Hingga:
Sampai adalah campuran tanah liat atau lanau yang tidak bertingkat dan heterogen yang langsung diendapkan oleh es.
(d) Endapan glasiofluvial:
Endapan glaciofluvial adalah material yang diangkut oleh gletser dan diendapkan oleh air lelehan dengan stratifikasi. Ini terdiri dari lapisan tipis lanau abu-abu sedang dan lempung berlumpur yang gelap.
Tanah yang Diangkut Air:
Bahan-bahan yang diangkut dan disimpan kembali oleh aksi air dikenal sebagai “aluvium”. Aliran terbentuk di lembah karena curah hujan yang tinggi. Air sungai yang mengalir membawa serta berbagai partikel tanah baik dalam suspensi atau menggulungnya di sepanjang dasar. Karena abrasi bergulir partikel tanah berlangsung dan dengan demikian mengurangi ukuran partikel.
Ukuran partikel yang dapat diangkut oleh tanah tergantung pada kecepatan air. Jika kecepatannya lebih besar, ia dapat memindahkan partikel berukuran besar dan ketika kecepatannya berkurang, partikel yang lebih besar akan terendapkan. Partikel yang lebih halus dibawa lebih jauh ke bagian aliran yang lebih lamban saat diendapkan.
Tanah yang dibawa oleh air diklasifikasikan menjadi:
(i) Tanah aluvial
(ii) Lacustrine tanah
(iii) Tanah laut.
Tanah Aluvial:
Tanah yang diangkut dari tempat penghancurannya oleh air yang mengalir dan diendapkan di sepanjang aliran sungai dikenal sebagai tanah alluvial. Tanah ini sangat umum dan sejumlah besar struktur teknik dibangun di atasnya. Tanah aluvial sering mengandung lapisan horizontal bergantian dari jenis tanah yang berbeda.
Tanah danau:
Tanah yang diangkut oleh air yang mengalir dan diendapkan di danau disebut tanah lakustrin. Sebagian besar tanah danau terutama berupa lanau dan lempung. Kesesuaian mereka untuk pondasi berkisar dari buruk hingga rata-rata.
Tanah laut:
Tanah yang diangkut oleh air yang mengalir dan diendapkan di lautan dikenal sebagai tanah laut. Tanah laut terutama lanau dan lempung dan sangat lunak.
Tanah yang Diangkut Angin (Tanah Aeolian):
Angin adalah media penting lainnya untuk transportasi tanah. Tanah yang diangkut dan diendapkan oleh angin disebut tanah Aeolian. Moda transportasi ini umumnya menghasilkan tanah bergradasi sangat buruk karena kekuatan pemilahan angin yang kuat. Tanah ini biasanya sangat gembur dan memiliki sifat teknik yang baik.
Tanah Aeolian terdiri dari dua jenis:
kerugian:
Loess adalah endapan lumpur yang dalam yang dibuat oleh angin. Endapan seperti itu sering ditemukan di bawah angin gurun. Endapan ini memiliki porositas yang sangat tinggi. Loess cukup kuat saat kering, tetapi menjadi lemah saat dibasahi.
Bukit pasir:
Perbukitan rendah tidak beraturan yang terbentuk oleh akumulasi pasir di sepanjang beberapa pantai dan di beberapa daerah gurun disebut bukit pasir. Gumuk pasir kemungkinan besar terbentuk di mana angin bertiup secara konsisten dari satu arah saja. Bukit pasir ini cenderung bermigrasi melawan arah angin. Laju migrasi dapat diperlambat atau dihentikan dengan menumbuhkan vegetasi yang sesuai di bukit pasir.
Tanah yang Diendapkan Gravitasi:
Tanah yang diendapkan secara gravitasi adalah tanah lepas atau fragmen batuan yang diangkut ke bawah lereng di bawah aksi gravitasi dan diendapkan pada atau dekat tanah miring. Tanah ini juga dikenal sebagai tanah koluvial.
Gerakan menuruni lereng terdiri dari dua jenis:
Lambat dan cepat. Gerakan lambat disebut creep yang berada di urutan milimeter per tahun. Gerakan menuruni lereng yang cepat disebut tanah longsor.
Profil Tanah:
Pembentukan tanah dimulai pertama dengan pemecahan batuan oleh pelapukan dan proses pengembangan horizon tanah mengarah pada pengembangan profil tanah. Profil tanah adalah tampilan vertikal cakrawala tanah. Profil tanah dibagi menjadi lapisan-lapisan yang disebut horizon.
Profil tanah terdiri dari horizon utama berikut:
Wahai cakrawala:
Di bagian atas profil adalah O-horizon. Ini terutama terdiri dari bahan organik. Bahan yang membusuk atau humus memperkaya tanah dengan nitrogen, kalium, dll. dan meningkatkan tanah dan meningkatkan retensi kelembaban tanah. O-horizon dapat dibagi menjadi kategori O 1 dan O 2 . Asal-usul O 1 mengandung materi yang terdekomposisi yang asal-usulnya dapat dilihat secara kasat mata dan horizon O 2 hanya mengandung bahan organik yang terdekomposisi dengan baik yang asal-usulnya tidak dapat dilihat dengan segera.
Cakrawala A:
Di bawah cakrawala-O adalah cakrawala-A. Ini menandai awal dari tanah mineral sejati. Di horizon ini bahan organik bercampur dengan produk anorganik dari pelapukan. Ini adalah cakrawala berwarna gelap karena adanya bahan organik. Ketebalan horizon ini biasanya 25 sampai 30 cm tetapi bisa berkisar antara 5 sampai 60 cm.
B-cakrawala:
Di bawah cakrawala-A adalah cakrawala-B. Ini biasanya disebut sebagai sub-tanah. B-horizon adalah zona di mana material halus terakumulasi oleh air yang meresap. Di beberapa tanah B-horizon diperkaya dengan kalsium karbonat dalam bentuk nodul atau sebagai lapisan. Ini memiliki warna dan tekstur yang sama di seluruh kedalamannya. Ketebalan horizon ini adalah 25 – 30 cm tetapi dapat berkisar antara 10 hingga 240 cm.
B-horizon dapat dibagi menjadi tipe B1 , B2 dan B3 . B 1 adalah horizon peralihan dari horizon A ke horizon B. Ia didominasi oleh sifat-sifat horizon-B di bawahnya, tetapi mengandung beberapa karakteristik horizon-A. B-cakrawala memiliki konsentrasi mineral, tanah liat atau organik. Horizon B3 dan transisi antara lapisan B di atasnya dan material di bawahnya.
C-cakrawala:
C-horizon mewakili bahan induk tanah, baik yang dibuat in-situ atau diangkut ke lokasinya saat ini. Di bawah C-horizon terletak batuan dasar. Ini memiliki warna dan tekstur yang sama di seluruh kedalamannya. Ketebalan horizon ini berkisar antara 5 sampai 30 cm. Cakrawala ini menyediakan sebagian besar material untuk konstruksi struktur tanah.
Signifikansi Profil Tanah:
Profil tanah sangat penting bagi seorang insinyur geoteknik karena:
(i) Ini memberikan jenis, sifat dan ketebalan lapisan tanah yang berbeda yang ada di daerah itu.
(ii) Ini menunjukkan setiap perubahan perilaku tanah terhadap kedalaman.
(iii) Memberikan kedalaman tabel air di bawah permukaan tanah.
(iv) Ini menunjukkan kantong lokal dari tanah yang berbeda di lapisan tertentu.
(v) Menunjukkan bagaimana karakteristik tanah dipengaruhi oleh sejarah geologi.
(vi) Ini memberikan gambaran kasar tentang kedalaman pondasi.
