1. Pendahuluan
Salah satu bagian dari bangunan PLTU adalah sea water intake, dimana salah satu bagian terpenting untuk menjaga bangunan sea water intake ini tetap berdiri kokoh di bawah permukaan tanah maka diperlukan perkuatan tanah berupa dinding penahan tanah. Tujuan utama konstruksi penahan dinding ini adalah untuk menahan tanah dari longsor akibat beban yang bekerja pada tanah.
Konstruksi penahan tanah dipilih bergantung pada kedalaman galian, jenis tanah yang ada, ketinggian Muka Air Tanah (MAT), beban yang akan ditahan. Jenis konstruksi dinding penahan tanah untuk kedalaman tanah yang digali tidak terlalu dalam biasanya menggunakan konstrukai dinding turap. Pada fase penggalian tanah pada masa konstruksi maka harus diperhatikan deformasi dari struktur dinding penahan tanah terutama arah lateral. Untuk mengurangi deformasi lateral maka dibutuhkan penyangga berupa angkur atau blok beton.
Menghitung gaya-gaya lateral pada dinding penahan tanah ini menggunakan teori Rankine dan Coulumb dengan cara menentukan parameter-parameter tanah yang dibutuhkan lalu didapatkan gaya-gaya dalam dan momen yang bekerja pada dinding penahan tanah. Dengan mengetahui gaya-gaya dalam ini maka dapat ditentukan dimensi dari dinding penahan tanah. Untuk mensimulasikan dan menyelesaikan masalah tersebut akan digunakan program MIDAS GTX NX.
2. Metode
Studi kasus yang ditinjau adalah area pengambilan air pada pekerjaan seawater intake proyek PLTU Jawa 9 & 10 Suralaya di Suralaya, Cilegon, Banten. Proses desain dimulai dari interpretasi data tanah dengan pendekatan persamaan korelasi dari tinjauan pustaka yang dilakukan. Tahapan berikutnya dilakukan penentuan kelas situ dan percepatan gempa pada permukaan tanah berdasarkan SNI 1726:2019.
Proses desain dinding penahan tanah dibagi menjadi dua bagian dengan menggunakan dua jenis konstruksi yang berbeda. Dinding utara dan timur dirancang dengan dinding penahan tanah berupa dinding diafragma. Dinding selatan dan timur dirancang dengan dinding penahan tanah berupa secant pile. Dinding timur dirancang menggunakan dua tipe dinding penahan tanah sebagai alternatif desain.
Kedalaman penetrasi awal dinding ditentukan dengan metode keseimbangan batas. Analisis stabilitas dilakukan dengan memodelkan dinding penahan tanah sebagai dinding kantilever menggunakan perangkat lunak MIDAS GTS NX. Model tersebut dibuat dalam kondisi plane strain. Sesuai dengan ketentuan dalam SNI 8460-2017 Pasal 10.3.5.1, untuk galian yang melebihi kedalaman 6 meter, diperlukan perkuatan lateral. Oleh karena itu, diterapkan perkuatan lateral berupa angkur tanah. Selanjutnya dilakukan iterasi desain untuk mendapatkan jumlah perkuatan dan parameter angkur yang memenuhi kriteria desain.
Kriteria desain mengikuti standar SNI 8460-2017, dengan persyaratan faktor keamanan minimal 1,5 untuk stabilitas global dan 1,1 untuk faktor keamanan gempa. Defleksi lateral maksimum dibatasi pada 0,7% kedalaman galian. Persyaratan untuk faktor keamanan pada tendon angkur adalah minimal 2, sementara faktor keamanan pada tarik angkur adalah minimal 3.
Setelah memenuhi kriteria desain, langkah berikutnya adalah merancang penulangan untuk dinding penahan tanah tersebut. Untuk penulangan lentur, digunakan perangkat lunak SPCollumn, sementara untuk penulangan geser mengikuti perhitungan berdasarkan SNI 2847:2019. Diagram alir dari perancangan ini diperlihatkan pada Gambar 1.
2.1 Kelas situs dan percepatan gempa permukaan
Klasifikasi situs harus didasarkan pada profil tanah lapisan 30 meter teratas. Penentuan kelas situs tanah dapat dilakukan berdasarkan Tabel 5 – Klasifikasi situs SNI 1726:2019.
Percepatan gempa di daerah Indonesia dapat ditentukan berdasarkan SNI 1726:2019. Dalam perhitungan percepatan gempa di permukaan, faktor amplifikasi \((F_{PGA})\) digunakan dengan mempertimbangkan nilai percepatan gempa di batuan dasar dan kelas situs tanah.
Gambar 1. Diagram alir
\[PGA_{M} = F_{PGA} \times PGA \tag{1}\]
\(PGA_{M}\) merupakan percepatan tanah puncak dengan memperhitungkan klasifikasi situs, sedangkan PGAmerupakan percepatan tanah puncak terpetakan. F<sub>PGA</sub> adalah faktor amplifikasi.
2.2 Dinding penahan tanah
2.2.1 Tekanan lateral tanah
Tekanan lateral tanah dihitung untuk menentukan ketebalan dinding dan kedalaman awal penetrasi dinding. Tekanan lateral tanah dihitung berdasarkan Teori Rankine.
\[P_a = \frac{1}{2} K_a \gamma H^2 \tag{2}\]
\[K_a = \tan^2(45 - \frac{\phi}{2})\] (3)
\[P_p = \frac{1}{2} K_p \gamma H^2 \tag{4}\]
\[K_p = \tan^2(45 + \frac{\phi}{2})\] (5)
2.2.2 Penentuan kedalaman penetrasi dan ketebalan dinding awal
Penentuan kedalaman penetrasi dinding didapatkan dari perhitungan stabilitas dinding terhadap guling dan geser. Berdasarkan SNI 8460-2017, untuk stabilitas dinding terhadap guling digunakan faktor keamanan sebesar 2 dan untuk stabilitas dinding terhadap geser digunakan faktor keamanan sebesar 1.5. Momen guling didapatkan dari hasil perkalian antara gaya yang bekerja pada dinding pada setiap kedalaman terhadapa lengan momen terhadap titik berat. Gaya geser didapatkan dari hasil penjumlahan gaya yang bekerja pada dinding.
2.2.3 Perhitungan stabilitas geser dan guling
Untuk perhitungan stabilitas terhadap geser dengan cara menjumlahkan semua gaya yang bekerja pada bagian aktif dan pada bagian pasif. Setelah itu dijumlahkan dan dibandingkan. Untuk menghitung stabilitas terhadap guling dilakukan dengan cara mengalikan gaya yang bekerja pada setiap kedalaman dengan lengan momen terhadap titik berat momen. Lalu dilakukan perbandingan hasil perhitungan total momen pada bagian aktif dengan pasif. Hal ini dilakukan untuk bagian selatan dan bagian timur dinding penahan tanah.
Faktor Keamanan terhadap Guling (Overturning)
\[SF_{overturning} = \frac{\sum M_R}{\sum M_O}\] (6)
Faktor Keamanan terhadap Geser (Sliding)
\[SF_{sliding} = \frac{\sum V tan (k_1 \phi)}{P_a}\] (7)
2.2.4 Penulangan dinding penahan tanah
Penulangan dinding penahan tanah ditentukan berdasarkan SNI 2847:2019. Penulangan yang dilakukan
terdiri dari penulangan lentur dan penulangan geser. Penulangan lentur dinding akan ditentukan dengan bantuan perangkat lunak SPColumn. Penulangan geser dinding dihitung berdasarkan tahapan dan persamaan berikut.
Jarak serat tekan terluat ke tulangan
\[d = b_w - s - \frac{d_b}{2} - d_s \tag{8}\]
d = jarak serat tekan terluar ke tulangan
\(b_{\rm w}\) = tebal dinding
s = selimut beton
\(d_b = diameter tulangan lentur\)
\(d_s\) = diameter tulangan geser
Kapasitas geser beton
\[V_c = \frac{1}{6} \lambda \sqrt{fc'} b_w d \tag{9}\]
Gaya geser yang dipikul oleh tulangan
\[V_s = \frac{V_u}{\phi} - V_c \tag{10}\]
Cek kebutuhan sengkang
Ketika gaya geser pada tulangan beton kurang dari kapasitas yang diizinkan (\(Vu < \phi Vc\)), dibutuhkan tambahan tulangan. Sedangkan jika gaya geser melebihi kapasitas (\(Vu < \phi Vc\)), juga diperlukan tambahan tulangan.
Jarak tulangan sengkang
\[A_v = 2 \times \frac{1}{4} \pi d^2 \tag{11}\]
\[s = \frac{A_v f_y d}{V_c} \tag{12}\]
2.2.5 Tahapan konstruksi
Tahapan konstruksi dinding penahan tanah dilakukan dalam beberapa tahapan sebagai berikut.
- 1. Penggalian tanah untuk media kerja Pada tahap ini dilakukan penggalian tanah hingga kedalaman -5 m sebagai media kerja.
- 2. Instalasi dinding
Pada tahap ini dilakukan instalasi dinding penahan tanah. Pada tahap instalasi dinding ini ditinjau beban alat berat yang digunakan untuk melakukan penginstalan.
- 3. Penggalian tanah hingga elevasi tertentu Pada tahap ini dilakukan galian bertahap yang diselingi dengan pemasangan angkur.
- 4. Pemasangan angkur tanah
Pada tahap ini dilakukan pemasangan angkur sebanyak 1 buah pada dinding sisi utara dan 2 buah pada dinding sisi timur. Pada dinding sisi utara pemasangan angkur dilakukan setelah galian tahap 1, sedangkan pada dinding sisi timur pemasangan dilakukan setelah galian tahap 1 dan 2.
5. Analisis kondisi permanen
Kondisi permanen yang dimodelkan adalah kondisi permanen statis, kondisi permanen banjir, dan kondisi permanen gempa. Kondisi ini dimodelkan dengan parameter drained untuk permanen statik dan banjir. Pada kondisi gempa digunakan parameter undrained untuk tanah lempung dan drained untuk tanah pasir. Muka air tanah untuk kondisi permanen statis dan gempa berdada sesuai dengan muka air tanah lapangan, sedangkan untuk kondisi permanen banjir muka air tanah berada pada permukaan tanah.
2.3 Angkur
Sistem pengangkuran terdiri dari fixed length, free length, dan kepala angkur (anchor head) seperti pada Gambar 2. Sistem ini berfungsi untuk menyalurkan gaya tarik ke lapisan tanah atau batuan pendukung. Fixed length adalah panjang pengangkuran yang digunakan untuk menyalurkan gaya ke tanah di sekitarnya. Free length adalah panjang pengangkuran yang digunakan untuk mentransfer gaya dari fixed length ke kepala angkur. Free length tidak digunakan untuk memobilisasi daya dukung tanah.
Berdasarkan SNI 8460:2017 panjang minimum free length adalah 3 m untuk bar tendon dan 4,5 m untuk strand tendon. Sedangkan panjang minimum dan maksimum fixed length adalah 3 m dan 13 m. Penentuan kapasitas angkur tanah dibedakan
Gambar 2. Komponen sistem pengangkuran (SNI 8460:2017)
berdasarkan jenis tanah pada lokasi terbenamnya bagian fixed length. Fixed length yang terbenam pada tanah kohesif dan non kohesif dapat ditentukan dengan Persamaan 2 dan 3
\[R_{ult} = \alpha A_s L_s S_{u(ave)} \tag{13}\]
\[R_{ult} = \sigma_s A_s L_s K_s \tag{14}\]
\(R_{ult}\) merupakan kapasitas batas angkur tanah, \(A_s\) yang menunjukkan luas selimut fixed length, dan \(L_s\) merupakan panjang fixed length. Sementara itu, \(S_{ulave}\) mengacu pada kuat geser tak terdrainase tanah rata-rata sepanjang fixed length, sedangkan \(\alpha\) adalah faktor adhesi tanah. Variabel \(\sigma_v\), yang merupakan tegangan vertikal efektif pada tengah-tengah fixed length, serta \(K_s\), yaitu koefisien angkur yang dapat dilihat pada Tabel 1.
3. Hasil
3.1 Parameter tanah
Parameter tanah yang digunakan dalam desain didapatkan dari korelasi dari nilai NSPT dan juga pengujian laboratorium. Parameter tanah yang digunakan untuk dinding utara dan timur dapat dilihat pada Tabel 2 dan Tabel 3.
3.2 Desain dinding penahan tanah
Hasil perancangan dinding penahan tanah yang memenuhi kriteria desain dapat dilihat pada Tabel 4.
Hasil desain perkuatan dinding penahan tanah yang memenuhi kriteria desain dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 1. Koefisien angkur, K<sub>s</sub> (after, SNI 8460:2017)
| Kepadatan Tanah | ||||
|---|---|---|---|---|
| Tipe Tanah | Lepas (loose) | Kompak (compact) | Padat (dense) | |
| Lanau Nonplastis | 0,1 | 0,4 | 1 | |
| Pasir Halus | 0,2 | 0,6 | 1,5 | |
| Medium Sand | 0,5 | 1,2 | 2 | |
| Pasir Kasar, Kerikil | 1 | 2 | 3 | |
Tabel 2. Parameter tanah dinding utara
| Parameter Tanah | Very Hard Clay | Hard Clay | Medium Clay | Soft Clay | Boulder | Sandstone |
|---|---|---|---|---|---|---|
| N-SPT | 88 | 38 | 8 | 3 | 36 | 73 |
| γsat [kN/m3] | 17 | 16 | 16 | 16 | 16 | 17 |
| \(\gamma_d\) [kN/m3] | 11,5 | 11,25 | 11,17 | 11,10 | 11,23 | 11,39 |
| \(\gamma'\) [kN/m3] | 7 | 7 | 7 | 6 | 7 | 7 |
| cu [kN/m²] | 528 | 230 | 56 | 16 | - | - |
| c' [kN/m²] | 52,8 | 23 | 44 | 1,6 | - | - |
| φ [°] | - | - | 19 | - | 41 | 50 |
| φ' [°] | 33 | 32 | 31 | 30 | 37 | 46 |
| е | 0,45 | 0,60 | 0,6 | 0,9 | 0,8 | 0,45 |
| k [cm/s] | 2x10-7 | 2x10-6 | 2x10-5 | 2x10-4 | 1 | 1x10-1 |
| μ | 0,5 | 0,4 | 0,3 | 0,2 | 0,5 | 0,4 |
| E [kN/m2] | 100000 | 75000 | 50000 | 10000 | 75000 | 100000 |
| E' [kN/m²] | 100000 | 70000 | 43333 | 8000 | 75000 | 93333 |
Tabel 3. Parameter tanah dinding timur
| Parameter Tanah | Very Hard Clay | Hard Clay | Medium Clay | Soft Clay | Dense Sand | Medium Sand |
|---|---|---|---|---|---|---|
| N-SPT | 88 | 30 | 6 | 2 | 64 | 12 |
| γsat [kN/m3 ] | 17 | 16,4 | 16,31 | 16,29 | 17 | 16,33 |
| γd [kN/m3 ] | 11,45 | 11,21 | 11,11 | 11,10 | 11,35 | 11,14 |
| γ' [kN/m3 ] | 7 | 7 | 6 | 6 | 7 | 7 |
| cu [kN/m2 ] | 527 | 180 | 55 | 12 | - | - |
| c' [kN/m2 ] | 52,7 | 18 | 43,7 | 1,2 | - | - |
| ϕ [°] | - | - | 19 | - | 48 | 32 |
| ϕ' [°] | 33 | 32 | 31 | 30 | 44 | 31 |
| e | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,45 | 0,45 |
| k [m/hari] | 2x10-7 | 2x10-6 | 2x10-6 | 2x10-5 | 1x10-3 | 1x10-2 |
| μ | 0,5 | 0,3 | 0,4 | 0,2 | 0,3 | 0,25 |
| E [kN/m2 ] | 100000 | 50000 | 20000 | 15000 | 81000 | 50000 |
| E' [kN/m2 ] | 100000 | 43333 | 18667 | 12000 | 70200 | 41667 |
3.3 Pengecekan stabilitas dan defleksi lateral dinding
Hasil pengecekan stabilitas dinding penahan tanah yang memenuhi kriteria desain dapat dilihat pada Tabel 6 dan Tabel 7.
Hasil pengecekan defleksi lateral dinding penahan tanah yang memenuhi kriteria desain dapat dilihat pada Gambar 3 dan Gambar 4.
Bidang runtuh pada kondisi drained dapat dilihat pada Gambar 3 dan Gambar 4.
4. Pembahasan
Studi ini dimulai dengan menetapkan konfigurasi awal untuk perancangan dinding penahan tanah menggunakan perhitungan manual berdasarkan teori-teori yang ada.
Tabel 4. Hasil perancangan dindin penahan tanah sisi utara dan tImur
| Konfigurasi | Utara | Timur |
|---|---|---|
| Kedalaman Dinding [m] | 26 | 26 |
| Tebal Dinding [m] | 0.65 | 0.65 |
| Tulangan Lentur | 8D32 | 16D32 |
| Tulangan Geser | D13-250 | D13-50 |
Tabel 5. Hasil perancangan perkuatan dindin penahan tanah sisi utara dan timur
| Konfigurasi | Utara | Timur |
|---|---|---|
| Jumlah Perkuatan | 1 | 2 |
| Spesifikasi strand | ||
| Jumlah Strand Angkur 1 | 9 | 3 |
| Jumlah Strand Angkur 2 | - | 6 |
| Sudut Kemiringan [o ] | 40 | 40 |
| Gaya Pra-Tegang 1 [kN] | 936 | 312 |
| Gaya Pra-Tegang 1 [kN] | - | 524 |
| Fixed Length Angkur 1 [m] | 6 | 3 |
| Fixed Length Angkur 1 [m] | - | 5 |
| Free Length Angkur 1 [m] | 25 | 30 |
| Free Length Angkur 1 [m] | - | 24 |
Konfigurasi ini kemudian dimodelkan dalam perangkat lunak MIDAS GTS NX, yang memberikan hasil berupa angka keamanan, defleksi lateral, dan bidang keruntuhan. Desain awal dinding tanpa perkuatan dengan kedalaman penetrasi 26 meter menunjukkan momen maksimum sebesar 2013,725 kNm dan ketebalan penampang sekitar 0,65 meter. Pada iterasi pertama, deformasi maksimum tercatat sebesar 109 mm, tidak memenuhi kriteria desain yang memerlukan perkuatan tambahan. Nilai angka keamanan ini memverifikasi perhitungan manual, namun nilai defleksi lateral melebihi standar desain, sesuai dengan SNI 8460-2017 Pasal 10.3.5.1 yang memerlukan perkuatan lateral untuk galian melebihi kedalaman 6 meter.
Evaluasi stabilitas dilakukan untuk memastikan tidak terjadi keruntuhan tanah selama konstruksi, memeriksa
Tabel 6. Angka keamanan dinding utara
| Syarat | Undrained | Drained | |
|---|---|---|---|
| Tahapan | SF | ||
| Galian 1 | 1,5 | 5,1 | 5 |
| Angkur 1 | 1,5 | 5,5 | 5,6 |
| Galian 2 | 1,5 | 5,5 | 4,9 |
| Galian 3 | 1,5 | 5 | 3,7 |
| Galian 4 | 1,5 | 6 | 2,8 |
| Permanen Normal | 1,5 | 2,7 | |
| Permanen Banjir | 1,5 | 2,5 | |
| Permanen Gempa | 1,1 | 1,4 |
Tabel 7. Angka keamanan dinding timur
| Syarat | Undrained | Drained | ||
|---|---|---|---|---|
| Tahapan | SF | |||
| Galian 1 | 1,5 | 4,7 | 3,2 | |
| Angkur 1 | 1,5 | 6 | 5,5 | |
| Galian 2 | 1,5 | 5,6 | 5,2 | |
| Angkur 2 | 1,5 | 6 | 5,4 | |
| Galian 3 | 1,5 | 6 | 4,3 | |
| Galian 4 | 1,5 | 5,1 | 3,4 | |
| Permanen Normal | 1,5 | 3,4 | ||
| Permanen Banjir | 1,5 | 3,2 | ||
| Permanen Gempa | 1,1 | 1,12 | ||
Gambar 3. Defleksi lateral drained (kiri) dan undrained (kanan) dinding penahan tanah sisi timur
Gambar 4. Defleksi lateral drained (kiri) dan undrained (kanan) dinding penahan tanah sisi timur
Gambar 5. Bidang runtuh dinding timur (a) drained (b) undrained
Gambar 6. Bidang runtuh dinding utara (a) drained (b) undrained
kondisi drained dan undrained. Setelah perkuatan diterapkan, dinding memenuhi kriteria stabilitas dan defleksi dengan angka keamanan sesuai standar. Penyesuaian panjang free length dilakukan untuk mencapai deformasi yang diinginkan, memastikan bahwa dinding memenuhi semua kriteria keamanan dan stabilitas. Bidang keruntuhan yang dihasilkan digunakan untuk menentukan panjang free length angkur yang diperlukan. Proses perancangan melibatkan iterasi konfigurasi angkur, dimulai dari satu angkur dan dilanjutkan hingga diperoleh konfigurasi dinding dan angkur yang memenuhi semua kriteria desain.
Grafik defleksi menunjukkan defleksi maksimum di bagian tengah dinding, sesuai teori defleksi struktur kantilever, dan masih dalam batas aman standar. Analisis bidang runtuh pada kondisi drained dan undrained menunjukkan bahwa panjang free length perkuatan harus lebih dari 26,2 meter untuk menjaga stabilitas struktur terhadap kegagalan tanah. Pada iterasi kedua, kedalaman dan ketebalan dinding tetap sama, namun ditambahkan angkur tanah pada kedalaman 2 meter. Perhitungan tekanan lateral tanah menunjukkan gaya angkur sebesar 1231,7 kN, yang efektif meningkatkan stabilitas dinding. Perhitungan ini mendukung desain perkuatan yang sesuai, termasuk beban desain dan jumlah strand yang diperlukan, menunjukkan pentingnya perkuatan dan penghitungan akurat untuk mencegah kegagalan struktural.
Model tanah Mohr-Coulomb digunakan dalam perancangan untuk hasil yang lebih konservatif, mengingat kendala pemodelan dengan model hardening soil dalam MIDAS GTS NX. Analisis gempa menggunakan metode pseudostatik juga memberikan hasil konservatif. Meskipun demikian, potensi untuk mengoptimalkan hasil masih ada. Desain dinding penahan tanah terbukti efektif dalam menangani beban proyek seawater intake PLTU, dengan analisis dari kedua iterasi menunjukkan bahwa dinding mampu menahan tekanan lateral tanah dalam kondisi normal maupun gempa, menegaskan bahwa desain yang dipilih telah memenuhi kriteria desain yang berlaku.
4. Kesimpulan
Berdasarkan analisis perancangan dinding penahan tanah pada sea water intake Pembangkit Listrik Tenaga Uap dapat disimpulkan:
- 1. Hasil perancangan memenuhi kriteria stabilitas yang disyaratkan oleh SNI 1726:2019 yaitu nilai faktor keamanan untuk stabilitas tanah kondisi statis jangka panjang >1.5 dan kondisi seismik >1.0 dapat terpenuhi.
- 2. Hasil perancangan memenuhi kriteria defleksi maksimal yang disyaratkan oleh SNI 1726:2019 yaitu tidak deformasinya tidak melebihi 99 mm. Sehingga dapat disimpulkan bahwa perancangan dinding penahan tanah telah memenuhi kriteria desain SNI 1726:2019.
- 3. Untuk mengurangi ketidakpastian dalam perancangan, disarankan untuk melakukan pengujian laboratorium dan lapangan yang lebih lengkap. Hal ini penting agar parameter yang digunakan dalam analisis dapat lebih akurat dan representatif terhadap kondisi lapangan sebenarnya.