Analisis Perilaku Tegangan-Regangan Timbunan di Atas Tanah Lunak dengan Perkuatan Stone Column Berdasarkan Simulasi Numeris 2D dan 3D (Studi Kasus: STA 50+600 Pembangunan Jalan Tol Yogyakarta - Bawen)
Rizqi Maulana, Prof. Dr. es. sc. tech. Ahmad Rifa'i, M.T., IPM.; Dr. Eng. Ir. Sito Ismanti, S.T., M.Eng., IPM
2024 | Tesis | S2 Teknik Sipil
Trase jalan tol
dapat melewati area dengan kondisi tanah lunak dengan karakteristik penurunan
berlebih dan memiliki stabilitas yang rendah. Perbaikan tanah menggunakan stone column
merupakan salah satu metode untuk meningkatkan kapasitas dukung tanah. Stone
column harus dirancang berdasarkan dimensi dan jarak yang optimal untuk
meningkatkan kapasitas dukung tanah lunak. Pertimbangan kecepatan waktu
analisis dan kemudahan dalam pemodelan, analisis dalam model 2D dengan
ekuivalensi parameter dan geometri lebih sering digunakan dengan hasil yang
terlalu konservatif. Oleh karena itu, model 2D perlu divalidasi menggunaan
model 3D yang dianggap mewakili kondisi sebenarnya di lapangan. Tujuan dalam
analisis ini adalah mengetahui perilaku deformasi timbunan di atas tanah lunak
akibat adanya variasi konfigurasi pemasangan stone column guna
memperoleh desain yang optimum.
Lokasi
penelitian berada pada STA 50+600 pembangunan Jalan Tol Yogyakarta – Bawen. Data analisis berasal dari pengujian 2 titik
bor dan 1 titik sondir. Perilaku
deformasi timbunan dianalisis sesuai kondisi tanpa perkuatan stone column.
Optimasi dilakukan dengan analisis
variasi beberapa parameter, seperti variasi jarak pemasangan stone column,
diameter stone column, serta kedalaman penetrasi stone column. Analisis numeris menggunakan perangkat
lunak berbasis elemen hingga digunakan sebagai metode untuk memprediksi
perilaku timbunan akibat adanya variasi parameter. Analisis 2D stone column menggunakan
metode ekuivalensi parameter column wall (CW) dan equivalent area
(EA). Hasil analisis menggunakan pemodelan 2D dibandingkan dengan hasil
analisis 3D untuk memperoleh hubungan hasil analisis.
Hasil optimasi
dilakukan pembebanan statik, pseudostatik, dan transient gempa untuk
mengetahui respon perilaku pore water pressure pada tanah dasar yang
diperkuat stone column. Hasil analisis menunjukkan pengaruh yang cukup
signifikan terhadap perilaku deformasi timbunan dengan adanya variasi parameter
konfigurasi pemasangan stone column. Pengaruh penggunaan stone column
memberikan dampak pada penurunan timbunan yang lebih kecil dibandingkan tanpa
adanya stone column. Peningkatan jarak pemasangan stone column
menyebabkan peningkatan deformasi pada badan timbunan. Perubahan jarak
pemasangan stone column dari 1,6 m menjadi 2,4 m meningkatkan deformasi
timbunan sebesar 11,21% untuk model CW. Penurunan semakin berkurang seiring
dengan bertambahnya diameter stone column. Perubahan diameter dari 0.4 m menjadi 0.8 m
menyebabkan penurunan tereduksi sebesar 12.80% pada pemodelan CW. Reduksi
penurunan juga terjadi pada kondisi peningkatan panjang penetrasi stone column.
Peningkatan panjang stone column dari 6 m ke 12 m mereduksi penurunan
sebesar 4.90%. Stabilitas lereng akibat beban statik 15 kPa dan beban dinamik
pseudostatik meningkat seiring peningkatan area replacement ratio pada
tanah dasar. Analisis penurunan EA menunjukkan hasil yang lebih rendah
dibandingkan dengan model 3D, sedangkan model CW menunjukkan hasil yang lebih
besar. Hasil analisis CW
menunjukkan kedekatan hasil dengan analisis 3D. Faktor reduksi hasil analisis
stabilitas EA ke hasil CW sebesar 0,97. Analisis pembebanan transient dilakukan
pada model L10 D0.8 S2.4 menunjukkan kelebihan tekanan air pori masimum sebesar
4,4 kPa, deformasi lateral sebesar 22,59 cm, dan deformasi vertikal 3,27 cm.
Hasil analisis numeris menggunakan model 2D dan 3D menunjukkan bahwa stone
column dapat diaplikasikan pada tanah dasar untuk mereduksi penurunan dan
meningkatkan stabilitas timbunan. Hasil penurunan dan angka aman pemodelan 3D stone
column dapat diprediksi menggunakan model 2D dengan faktor koreksi tertentu.
The construction of a toll
road entails traversing areas characterized by soft soil conditions with
excessive settlement and low stability. Soil improvement using stone columns is
one method to enhance the soil's bearing capacity. Stone columns should be
designed based on optimum dimensions and spacing to improve the bearing
capacity of soft soil. Analyzing the time speed and simple of modeling, 2D
analysis using parameter and geometry equivalence is commonly employed but
often yields overly conservative results. Therefore, the 2D model needs
validation using a 3D model that is considered to represent the actual field
conditions. The objective of this analysis is to understand the deformation
behavior of embankments on soft soil due to variations in the configuration of stone
column installation to obtain an optimum design.
The research location is at
STA 50+600 of the Yogyakarta-Bawen Toll Road construction. The analysis data is
derived from testing 2 boreholes and 1 cone penetration test point. The
deformation behavior of the embankment is analyzed under the condition without stone
column reinforcement. Optimization is performed by analyzing various
parameters, such as the spacing of stone column installation, stone column
diameter, embankment slope, cohesion of the stone column filling material, and stone
column penetration depth. Numerical analysis using finite element-based software
is used as a method to predict the embankment's behavior due to parameter
variations. The 2D analysis of stone columns employs the column wall (CW) and equivalent
area (EA) parameter equivalence methods. The analysis results using 2D modeling
are compared with the results obtained from 3D analysis to establish a
correlation.
The optimization results
involved static, pseudo-static, and transient seismic loading to investigate
the response of pore water pressure behavior in the ground reinforced by stone
columns. The analysis results demonstrated a fairly significant influence on
the deformation behavior of embankments with variations in the configuration
parameters of stone column installation. The use of stone columns had an impact
on reducing embankment settlement compared to scenarios without them.
Increasing the spacing between stone columns led to an increase in deformation
in the embankment body. Changing the spacing of stone column installation from
1.6 m to 2.4 m increased embankment deformation by 11.21% for the CW model.
Settlement decreased with increasing stone column diameter. Changing the
diameter from 0.4 m to 0.8 m resulted in a reduced settlement by 12.80% in the
CW modeling. Reductions in settlement also occurred with an increase in the
length of stone column penetration. Increasing the length of the stone column
from 6 m to 12 m reduced settlement by 4.90%. Slope stability due to static
load of 15 kPa and pseudo-static dynamic load increased with the increase in area
replacement ratio in the ground. Settlement analysis indicated lower results
compared to the 3D model, while the CW model yielded higher results. The CW
analysis closely approximated the outcomes of the 3D analysis. The reduction
factor from EA stability analysis to CW results was 0.97. Transient loading
analysis was performed on model L10 D0.8 S2.4, showing a maximum excess pore
water pressure of 4.4 kPa, lateral deformation of 22.59 cm, and vertical
deformation of 3.27 cm. Numerical analysis results using 2D and 3D models
indicated that stone columns could be applied to the ground to reduce
settlement and improve embankment stability. The outcomes of settlement and
safety factor for 3D stone column modeling can be predicted using a 2D model
with specific correction factors.
Kata Kunci : soft soil, column wall, equivalent area, 3D model, transient seismic loading