1. Pendahuluan
Dalam bidang rekayasa geoteknik, kehadiran tanah lunak sering menjadi tantangan dalam perencanaan fondasi atau struktur. Namun, bagi daerah yang berada di atas batuan kapur atau limestone, masalah utama bukan pada tanah lunak, tetapi juga adanya rongga bawah tanah atau cavity yang dapat mempengaruhi stabilitas serta daya dukung fondasi. Cavity ini terbentuk akibat proses pelarutan batuan oleh air dalam
jangka waktu lama, membentuk jaringan rongga yang bervariasi ukurannya.
Salah satu kawasan yang menjadi studi kasus dalam penelitian ini adalah Fakfak, Papua Barat. Daerah ini memiliki karakteristik geologi karst dengan batu kapur yang tersembunyi di bawah vegetasi lebat. Hasil survei geolistrik menunjukkan bahwa rongga di bawah batuan tersebar secara tidak merata dan berpotensi mengganggu stabilitas fondasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Metode geolistrik
* Penulis Korespondensi: andiganjohannes@gmail.com
Gambar 1. Indikasi persebaran cavity analisis resistivitas 3D (Perkasa, 2023)
digunakan untuk mengidentifikasi zona resistivitas rendah yang menandakan keberadaan cavity berisi udara atau air, yang berisiko menyebabkan keruntuhan atau amblesan.
Struktur rongga yang besar di lapisan dangkal bisa menyebabkan kegagalan mendadak, sedangkan rongga kecil yang berkembang perlahan dapat menurunkan permukaan batuan secara bertahap. Jika tidak ditangani dengan baik, kondisi ini bisa menyebabkan kerugian material yang besar.
Beberapa penelitian sebelumnya telah menganalisis dampak cavity terhadap daya dukung fondasi menggunakan berbagai pendekatan, termasuk metode numerik dan eksperimental.
Penelitian oleh (Yao Xiao M. Z., 2018) menggunakan Finite Element Limit Analysis (FELA) untuk menyelidiki dampak cavity berbentuk persegi terhadap kapasitas dukung fondasi. Hasilnya menunjukkan semakin besar ukuran cavity, semakin signifikan pengurangan daya dukung fondasi, terutama jika cavity berada di kedalaman dangkal. Studi ini mengasumsikan batuan dengan parameter geoteknik tertentu tanpa mempertimbangkan variasi kondisi lapangan yang lebih kompleks.
Penelitian lain oleh (Piyush Kumar, 2022) menganalisis cavity berbentuk lingkaran menggunakan pendekatan numerik. Fokus utama studi ini adalah batuan dengan parameter kekuatan tekan uniaksial atau Uniaxial Compressive Strength (UCS) 25 MPa dan Geological Strength Index (GSI) sebesar 40. Simulasi dilakukan dengan variasi kedalaman cavity, menunjukkan bahwa cavity yang lebih dangkal dan berdiameter besar memiliki dampak yang lebih signifikan terhadap kapasitas dukung fondasi.
Sementara itu, studi terbaru oleh (Yao Xiao M. Z., 2023) menggunakan metode Upper Bound Finite Element Limit Analysis (UB FELA) dengan pemodelan cavity berbentuk persegi panjang. Studi ini menunjukkan bahwa cavity besar yang dangkal dapat mengurangi daya dukung hingga 70%, terutama pada massa batuan dengan sifat mekanik yang lebih rapuh. Namun, studi ini masih terbatas pada model geometri tertentu, belum mencakup variasi batuan lemah yang lebih umum ditemukan di lapangan.
Meski demikian, studi-studi sebelumnya masih memiliki keterbatasan. Banyak penelitian hanya berfokus pada batuan dengan kekuatan tekan sedang hingga tinggi (UCS ≥25 MPa) dan jarang membahas kondisi batuan lemah (UCS <25 MPa). Selain itu, belum banyak kajian mengenai cavity kecil. Dalam penelitian ini, cavity kecil didefinisikan sebagai cavity dengan diameter kurang dari setengah lebar fondasi yaitu 1 meter. Tabel 1 menunjukkan perbandingan tinjauan penelitian terdahulu dibandingkan dengan penelitian ini. Faktor-faktor lain seperti interaksi antara cavity dan pola distribusi tegangan pada fondasi belum sepenuhnya dianalisis dalam penelitian terdahulu. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk mengisi celah tersebut dengan menganalisis dampak cavity kecil pada massa batuan lemah serta memberikan rekomendasi teknis terkait dava dukung fondasi di atasnya.
Dengan meninjau berbagai parameter seperti ukuran dan kedalaman cavity, serta karakteristik batuan di lokasi penelitian, penelitian ini diharapkan dapat memberikan wawasan yang lebih komprehensif mengenai dampak cavity terhadap stabilitas fondasi. Hasil studi ini juga akan menjadi acuan bagi perencanaan dan mitigasi risiko bagi konstruksi di wilayah dengan karakteristik geologi serupa, sehingga dapat diterapkan dalam perencanaan teknis fondasi yang aman dan efisien. Dengan demikian, penelitian ini diharapkan dapat menjadi kontribusi penting dalam pengembangan metode analisis dan desain fondasi di kawasan karst yang memiliki cavity dengan berbagai ukuran dan kedalaman.
Table 1. Studi literatur pengaruh cavity terhadap daya dukung fondasi dangkal di massa batuan
| Parameter | (Yao Xiao M. Z., 2018 | )(Piyush Kumar, 2022 | )(Yao Xiao M. Z., 2023) | Penelitian Ini |
|---|---|---|---|---|
| Uniaxial Compressive Strength \((\sigma_{ci})\) | \(\sigma_{ci}\)=40MPa | σci=≥25MPa | \(\sigma_{ci}/\gamma B=100\) | \(\sigma_{ci}\)=21MPa |
| Klasifikasi batuan menurut UCS | Medium strong | Medium strong to very strong | Very strong | Weak |
| Tinjauan ukuran cavity | Segi empat 0.5B≤W≤5B 0.5B≤H≤3B | Lingkaran dv konstan | Segi empat 2B≤W≤5B B≤H≤2B | Lingkaran 0.25B≤D≤3B |
| Tinjauan kedalaman cavity | 1.5B≤Y≤4B | 0.5B≤Z≤4.5B | 1.5B≤H≤5.5B | 0.25B≤H≤3B |
| Kekhususan dibanding penelitian lair | , Cavity kembar dengan jarak berdekatan | Parameter batuan GS dan σci divariasikan | Rentang tinjauan kedalaman dan jarak yang panjang | Klasifikasi batuan 'weak', tinjauan ukuran cavity kecil (0.25B), memberikan rekomendasi teknis dan praktis untuk kasus serupa kedepannya |
Gambar 2. Diagram alir penelitian
2. Metodologi
Metodologi penelitian ini dirancang untuk memahami pengaruh diameter dan kedalaman cavity terhadap daya dukung fondasi yang berdiri di atasnya. Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan utama, dimulai dengan tinjauan literatur, formulasi hipotesis, pengumpulan data, penurunan parameter batuan, serta perhitungan numerik menggunakan perangkat lunak Plaxis sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Penelitian diawali dengan tinjauan literatur untuk memahami studi terdahulu dan mengidentifikasi celah penelitian yang akan diisi. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa cavity dalam batuan kapur dapat berpengaruh terhadap kapasitas dukung fondasi, tetapi masih terdapat keterbatasan dalam memahami dampak cavity kecil serta kondisi batuan lemah. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk mengeksplorasi kondisi tersebut secara lebih mendalam.
Setelah tinjauan literatur dilakukan, penelitian ini menetapkan hipotesis bahwa diameter dan kedalaman cavity memiliki pengaruh terhadap daya dukung fondasi. Hipotesis ini diuji melalui pendekatan numerik dengan membandingkan daya dukung fondasi pada kondisi dengan cavity yang memiliki berbagai variasi dimensi dan kedalaman dengan pada kondisi tanpa cavity.
Pengumpulan data dilakukan dengan mengacu pada data sekunder dari laporan penyelidikan tanah yang mencakup boring log, foto core box batu, dokumentasi lokasi batuan, serta hasil uji laboratorium seperti uji sifat fisik dan mekanik batuan, uji beban titik, dan uji kuat tekan uniaksial. Data ini digunakan untuk menentukan parameter geoteknik batuan yang akan diterapkan dalam analisis numerik. Selain itu, parameter Hoek-Brown juga diturunkan melalui kombinasi data laboratorium dan
Gambar 3. (a) Model numerik dengan Plaxis (b) Penetapan mesh pada model
perhitungan empiris. Parameter-parameter tersebut kemudian dikonversi menjadi data numerik untuk digunakan dalam perangkat lunak Plaxis. Penentuan parameter ini sangat penting karena akan menentukan akurasi hasil simulasi dalam merepresentasikan kondisi aktual di lapangan.
Analisis numerik dalam penelitian ini menggunakan metode elemen hingga (Finite Element Method/FEM) melalui perangkat lunak Plaxis. Model numerik disusun dalam skala dua dimensi dengan pendekatan plane strain. Pemodelan diawali dengan kondisi awal tanpa cavity, kemudian dilakukan variasi kondisi dengan adanya cavity yang memiliki berbagai diameter (D) dan kedalaman (H). Model dibuat dengan ukuran boundary yang cukup besar untuk memastikan bahwa pengaruh cavity pada daya dukung fondasi dapat teramati dengan baik. Dimensi model ditentukan berdasarkan prinsip bahwa ukuran domain harus cukup besar agar tidak terjadi efek batas yang mempengaruhi hasil simulasi. Oleh karena itu, model diperpanjang hingga 200 meter dalam arah horizontal dan 60 meter dalam arah vertikal untuk mencakup berbagai variasi cavity yang diuji seperti pada Gambar 3 (a).
Untuk geometri fondasi dangkal (footing), bagian ini dimodelkan dengan material plate di atas permukaan batuan dengan lebar fondasi B=2m. Dengan tebal fondasi 50 cm dan menggunakan mutu beton fc' 50 MPa, maka dimasukkan parameter material plate ke dalam Plaxis yaitu EA1 = 16,617,009 kN/m dan EI = 346,1888 kN.m2/m. Untuk membatasi perilaku antara struktur fondasi dan batuan diberikan elemen interface sepanjang lebar fondasi
Pembebanan dalam simulasi dilakukan dengan menerapkan beban garis seragam di atas fondasi. Pembebanan dilakukan dengan menggunakan prosedur Load Advancement Ultimate Level pada Plaxis yang dikontrol dengan pengali total (total multiplier) yang disebut ƩMStage di dalam Plaxis. Nilai ƩMStage pada cavity dengan kedalaman Hi dan diameter Dj merepresentasikan nilai daya dukung relatif RHi;Dj
Gambar 4. Variasi ukuran dan kedalaman cavity tunggal yang dimodelkan
adalah perbandingan daya dukung fondasi pada kondisi dengan cavity dengan kedalaman Hi dan diameter Dj \((q_{uHi;Dj})\) dengan daya dukung fondasi pada kondisi tanpa cavity \((q_u)\).
\[\begin{split} R_{HiDj} = & \frac{\text{Daya dukung dengan } \textit{cavity } H_i D_j}{\text{Daya dukung tanpa } \textit{cavity}} = \frac{q_{u_{H_i;D_j}}}{q_u} \cdots \\ = & \Sigma \text{ MStage (di Plaxis)} \end{split}\]
Nilai beban yang digunakan adalah sebesar 2,950 kN/m/m, yang diperoleh dari hasil simulasi awal daya dukung tanpa cavity (q<sub>u</sub>). Beban ini diterapkan dalam model untuk mengevaluasi seberapa besar pengaruh cavity terhadap kapasitas dukung fondasi.
Kondisi muka air tanah tidak dimasukkan dalam pemodelan menyesuaikan dengan kondisi aktual di lapangan yang tidak didapati adanya muka air tanah.
Pembuatan mesh dalam simulasi dilakukan dengan tingkat ketelitian tinggi di sekitar cavity dan fondasi, di mana area di bawah fondasi menggunakan mesh "very fine", sedangkan area lainnya menggunakan mesh "medium" untuk mengoptimalkan efisiensi waktu perhitungan seperti pada Gambar 3 (b). Jumlah elemen dalam model sekitar 21,416 elemen dengan 43,518 titik nodal.
Fase perhitungan dilakukan secara bertahap yang mencakup berbagai skenario kondisi cavity. Dalam penelitian ini, jumlah sampel yang digunakan mencakup 30 kombinasi diameter dan kedalaman cavity yang berbeda. Cavity yang dimodelkan memiliki 6 (enam) variasi diameter (D) dari 0.25B=0.5m, 0.5B=1m, 0.75B=1.5m, B=2m, 2B=4m, hingga 3B=6m dengan kedalaman (H) yang divariasikan 5 (lima) variasi dari 0.25B=0.5m, 0.5B=1m, B=2m, 2B=4m hingga 3B=6m, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.
Setiap kombinasi cavity dimodelkan dalam dua fase, yaitu satu fase tanpa beban untuk melihat perubahan tegangan akibat cavity saja dan satu fase dengan pembebanan untuk menganalisis pengaruh cavity terhadap kapasitas dukung fondasi. Dengan demikian, terdapat total 60 fase perhitungan dalam analisis ini seperti pada Tabel 2. Setiap variasi diameter dan kedalaman cavity diuji satu per satu untuk memahami dampaknya terhadap stabilitas fondasi dan massa batuan di sekitarnya.
Tabel 2. Urutan fase-fase perhitungan
| Phase No | Start from | Phase Name | Phase No | Start from | Phase Name |
|---|---|---|---|---|---|
| InitialPhase | - | - | - | - | - |
| Phase 1 | InitialPhase | Cavity H1; D1 | Phase 31 | InitialPhase | Cavity H3; D4 |
| Phase 2 | Phase 1 | Beban | Phase 32 | Phase 31 | Beban |
| Phase 3 | InitialPhase | Cavity H1; D2 | Phase 33 | InitialPhase | Cavity H3; D5 |
| Phase 4 | Phase 3 | Beban | Phase 34 | Phase 33 | Beban |
| Phase 5 | InitialPhase | Cavity H1; D3 | Phase 35 | InitialPhase | Cavity H3; D6 |
| Phase 6 | Phase 5 | Beban | Phase 36 | Phase 35 | Beban |
| Phase7 | InitialPhase | Cavity H1; D4 | Phase 37 | InitialPhase | Cavity H4; D1 |
| Phase 8 | Phase 7 | Beban | Phase 38 | Phase 37 | Beban |
| Phase 9 | InitialPhase | Cavity H1; D5 | Phase 39 | InitialPhase | Cavity H4; D2 |
| Phase 10 | Phase 9 | Beban | Phase 40 | Phase 39 | Beban |
| Phase 11 | InitialPhase | Cavity H1; D6 | Phase 41 | InitialPhase | Cavity H4; D3 |
| Phase 12 | Phase 11 | Beban | Phase 42 | Phase 41 | Beban |
| Phase_13 | InitialPhase | Cavity H2; D1 | Phase 43 | InitialPhase | Cavity H4; D4 |
| Phase 14 | Phase 13 | Beban | Phase 44 | Phase 43 | Beban |
| Phase 15 | InitialPhase | Cavity H2; D2 | Phase 45 | InitialPhase | Cavity H4; D5 |
| Phase 16 | Phase_15 | Beban | Phase 46 | Phase 45 | Beban |
| Phase 17 | InitialPhase | Cavity H2; D3 | Phase 47 | InitialPhase | Cavity H4; D6 |
| Phase 18 | Phase 17 | Beban | Phase 48 | Phase 47 | Beban |
| Phase 19 | InitialPhase | Cavity H2; D4 | Phase 49 | InitialPhase | Cavity H5; D1 |
| Phase 20 | Phase 19 | Beban | Phase 50 | Phase 49 | Beban |
| Phase 21 | InitialPhase | Cavity H2; D5 | Phase 51 | InitialPhase | Cavity H5; D2 |
| Phase 22 | Phase 21 | Beban | Phase 52 | Phase 51 | Beban |
| Phase 23 | InitialPhase | Cavity H2; D6 | Phase 53 | InitialPhase | Cavity H5; D3 |
| Phase 24 | Phase 23 | Beban | Phase 54 | Phase 53 | Beban |
| Phase 25 | InitialPhase | Cavity H3; D1 | Phase 55 | InitialPhase | Cavity H5; D4 |
| Phase 26 | Phase_25 | Beban | Phase 56 | Phase 55 | Beban |
| Phase 27 | InitialPhase | Cavity H3; D2 | Phase 57 | InitialPhase | Cavity H5; D5 |
| Phase_28 | Phase 27 | Beban | Phase 58 | Phase 57 | Beban |
| Phase_29 | InitialPhase | Cavity H3; D3 | Phase_59 | InitialPhase | Cavity H5; D6 |
| Phase_30 | Phase_29 | Beban | Phase_60 | Phase_59 | Beban |
Dalam hal studi kasus, akan dianalisis diameter dan kedalaman cavity yang aman dan tidak aman berdasarkan beban desain sebesar 13.5 t/m². Nilai daya dukung ultimit fondasi (qu Hi;Dj) akan dibagi dengan faktor keamanan (SF=3) untuk mendapatkan nilai daya dukung izin fondasinya yang kemudian dibandingkan dengan beban desain untuk menentukan kondisi cavity mana beban desain masih aman dan tidak aman pada studi kasus tersebut.
Dalam penelitian ini, terdapat beberapa batasan yang perlu diperhatikan antara lain sebagai berikut.
- 1. Parameter-parameter batuan yang digunakan bersifat spesifik untuk lokasi penelitian di Kabupaten Fakfak, Papua Barat, sehingga hasil penelitian ini perlu dikaji lebih lanjut sebelum diterapkan pada lokasi geologi berbeda.
- 2. Tidak mempertimbangkan variasi kondisi diskontinuitas batuan, dimana kenyataannya, massa batuan memiliki orientasi bedding planes yang bervariasi.
- 3. Cavity berbentuk lingkaran sempurna. Dalam kenyataanya jarang ditemukan cavity berbentuk lingkaran sempurna.
- 4. Parameter batuan di seluruh massa batuan dianggap sama baik di dekat cavity maupun yang jauh dengan cavity.
- 5. Beban yang diaplikasikan bersifat spesifik untuk studi kasus penelitian yaitu 13.5 ton/m2 .
3. Hasil
Dalam analisis numerik menggunakan perangkat lunak Plaxis dengan kriteria non-linear Hoek-Brown, parameter-parameter batuan harus ditentukan secara akurat agar simulasi yang dilakukan sesuai dengan karakteristik batuan di lapangan. Penurunan parameter ini dilakukan berdasarkan hasil uji laboratorium, observasi lapangan, serta metode empiris yang mengacu pada grafik atau tabel. Dalam penelitian ini, terdapat 13 (tiga belas) parameter utama yang dikaji untuk memperoleh representasi yang akurat terhadap kondisi batuan ditunjukkan dalam Gambar 5.
1. Uniaxial Compressive Strength (UCS)
Diperoleh melalui uji laboratorium terhadap sampel batuan utuh. Nilai UCS yang diperoleh adalah 21.36
Gambar 6. Perhitungan RQD batuan
Gambar 5. Penurunan parameter batuan MPa, sesuai dengan klasifikasi batuan "weak" dalam sistem (Hoek, Strength of Jointed Rock Masses, 1983). Ini menempatkan batuan dalam kategori seperti chalk, claystone, marl, siltstone, dan shale.
2. Poisson's Ratio (υ)
1Ditentukan berdasarkan literatur yang mengkaji berbagai jenis batuan dengan karakteristik serupa (Vásárhelyi, 2013). Dari rentang nilai 0.05 hingga 0.40 yang ditemukan dalam referensi, dipilih nilai rata-rata sebesar 0.20 untuk mewakili sifat elastis batuan tersebut.
3. Berat volume (γ) batuan
Ditetapkan berdasarkan hasil uji laboratorium, dengan nilai dry density sebesar 2.443 gr/cm³ atau setara dengan 23.97 kN/m³. Nilai ini digunakan untuk menentukan berat unit massa batuan dalam perhitungan numerik.
4. Point Load Strength Index (Is)
Juga diuji di laboratorium, menghasilkan nilai 0.76 MPa. Nilai ini menjadi parameter tambahan dalam analisis karakteristik kekuatan batuan.
5. Rock Quality Designation (RQD)
Dihitung berdasarkan core box hasil pengeboran lapangan. Nilai RQD yang diperoleh adalah 38%, yang menunjukkan kualitas batuan tergolong "Poor" (buruk) dalam klasifikasi RQD (25-50%). Analisis RQD dilakukan dengan menghitung persentase core yang utuh dengan panjang lebih dari 10 cm terhadap total panjang inti batuan yang diuji (Deere & Deere, 1963) seperti ditunjukkan Gambar 6.
6. Kondisi diskontinuitas batuan
Dievaluasi melalui berbagai parameter, termasuk spacing, persistence, aperture, roughness, infilling, dan weathering. Digunakan Spacing rata-rata antar diskontinuitas dihitung sebesar 4.9 cm, yang dikategorikan sebagai "very close" dalam sistem klasifikasi diskontinuitas (Barani & Ghafoori, 2014). Panjang atau persistence diskontinuitas diestimasikan antara 3-10 meter, dikategorikan sebagai "medium persistence" (ISRM, Commission on standardization of laboratory and field tests: suggested methods for the quantitative description of discontinuities in rock masses, 1978). Aperture atau lebar bukaan diskontinuitas, diukur 11.5 mm, yang masuk dalam kategori "widely open" (Mayne, Christopher, & DeJong, 2001). Sementara itu, roughness atau
Tabel 3. Rock Mass Rating (RMR) batuan
| No Parameter | Value | Classification | Rating | Max Value |
|---|---|---|---|---|
| R1 Point Load Index | 0.76 MPa | < 1 MPa | ||
| Unconfined Compressive | 21.36 MPa | 10-25 MPa | 2 | 15 |
| R2 RQD | 38% | Poor | 8 | 20 |
| R3 Spacing | 4.9 cm | Very Close | 5 | 20 |
| R4a Persistence | Assume 3-10m | Medium persistence | 2 | 6 |
| R4b Aperture | 11.5 mm | Widely open | 0 | 6 |
| R4c Roughness | Rough | Rough | 5 | 6 |
| R4d Infilling | None | None | 6 | 6 |
| R4e Weathering | Slightly weathered | Slightly weathered | 5 | 6 |
| R5 Groundwater Condition | Completely dry | Completely dry | 15 | 15 |
| R6 Adjustment Orientation | Very favorable | Very favorable | 0 | 0 |
| - | • | RMR | 46 | 100 |
kekasaran bidang diskontinuitas dikategorikan sebagai "rough". Tidak ditemukan material pengisi atau infilling dalam celah diskontinuitas, sehingga diklasifikasikan sebagai "none". Batuannya juga mengalami sedikit pelapukan (slightly weathered).
7. Kondisi muka air tanah
Menunjukkan bahwa lokasi titik investigasi dalam keadaan kering, sehingga dikategorikan sebagai "completely dry". Selain itu, orientasi sambungan diasumsikan dalam kondisi "very favorable" yang tidak mempengaruhi stabilitas batuan secara signifikan.
8. Rock Mass Rating (RMR)
Nilai Rock Mass Rating (RMR) dihitung dengan menjumlahkan rating dari setiap aspek (Goodman, 1989).
\[1RMR = R1 + R2 + R3 + R4a + R4b + R4c + R4d + R4e + R5 + R6\] \[= 2 + 8 + 5 + 2 + 0 + 5 + 6 + 5 + 15 + 0\] \[= 46\]
Nilai yang diperoleh adalah 46, yang diklasifikasikan sebagai "Class III Fair Rock" sesuai dengan sistem klasifikasi RMR 41-60 (Goodman, 1989). Lihat Tabel 3.
9. Geological Strength Index (GSI)
Dihitung menggunakan korelasi dengan RMR (Bieniawski Z. T., 1989) yaitu sebagai berikut.
\[GSI = RMR - 5\] \[GSI = 46 - 5\] \[GSI = 41\]
Dengan persamaan ini dihasilkan nilai 41, yang juga menempatkan batuan dalam kategori "Class III Fair Rock" dengan rentang GSI 36-55 (Goodman, 1989).
10. Konstanta batuan utuh (m<sub>i</sub>)
Diperoleh dari tabel empiris berdasarkan jenis batuan yang telah diidentifikasi (Hoek, Brown, & ASCE, Empirical Strength Criterion for Rock Masses, 1980). Nilai rerata mi yang dipilih 6.00.
11. Disturbance Factor (D)
Berdasarkan observasi di lapangan, tidak ditemukan adanya kegiatan peledakan atau penggalian yang dapat mengubah karakteristik batuan, sehingga nilai D ditetapkan sebesar 0 (Evert Hoek C. C.-T., 2002).
12. Young's Modulus Massa Batuan (E'rm)
Dihitung berdasarkan nilai Young's Modulus batuan utuh yang diperoleh dari uji laboratorium, dengan nilai awal sebesar Ei = 2,069,910 kN/m². Setelah dikoreksi menggunakan formula Hoek-Brown dengan mempertimbangkan nilai GSI dan D, diperoleh nilai akhir sebesar 353,824 kN/m².
\[\begin{split} E_{rm} &= E_i \left( 0.02 + \frac{1 - D/2}{1 + e^{(60 + 15(D) - GSI)/11}} \right) \\ &= 2,069,910 \left( 0.02 + \frac{1 - (0)/2}{1 + e^{(60 + 15(0) - 41)/11}} \right) \\ &= 353,824 \text{ kN/m}^2 \end{split}\]
13. Konstanta massa batuan (\(m_b\), s, dan a)
Dihitung berdasarkan formulasi Hoek-Brown, dengan hasil sebagai berikut: \(m_b\)=0.73, s=0.0014, dan a = 0.511
Dari seluruh parameter yang telah dihitung, dapat disimpulkan bahwa massa batuan yang dianalisis tergolong dalam kategori batuan lemah hingga sedang, sesuai dengan nilai UCS, RQD, RMR, dan GSI. Batuan ini memiliki tingkat diskontinuitas yang tinggi, dengan jarak antar celah yang sangat dekat, bukaan yang besar, serta kondisi yang telah mengalami sedikit pelapukan. Untuk merangkum hasil analisis ini, Tabel 4 berikut menyajikan parameter-parameter utama yang digunakan dalam penelitian.
Tabel 4. Hasil penurunan parameter batuan
| No | Parameter | Simbol | Satuan | Besaran |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Uniaxial compressive | \(\sigma_{\rm ci}\) | MPa | 21.36 |
| strength | Oci | IVII G | ||
| 2 | Poisson's ratio | \[\upsilon_{ur}{'}\] | - | 0.20 |
| 3 | Berat volume | \[\gamma_{unsat}\] | kN/m³ | 23.97 |
| 4 | Point load strength index | Is | MPa | 0.76 |
| 5 | Rock Quality Designation | RQD | % | 38.00 |
| 6 | Rock Mass Rating | RMR | - | 46.00 |
| 7 | Geological Strength | GSI | 41.00 | |
| Index | GGI | - | ||
| 8 | Konstanta batuan utuh | \(m_{i}\) | - | 6.00 |
| 9 | Disturbance factor | D | - | 0.00 |
| 10 | Young's modulus | \(E_{rm}{}'\) | kN/m² | 353,824.00 |
| 11 | Konstanta massa batuan | \(m_{\text{b}}\) | - | 0.73 |
| S | - | 0.0014 | ||
| а | - | 0.511 |
Gambar 7. Kontur tegangan dan penurunan sebelum pembebanan, hanya ada cavity (H1)
Analisis numerik menggunakan metode elemen hingga (Finite Element Method) telah dilakukan dengan Plaxis untuk mengevaluasi pengaruh cavity terhadap daya dukung fondasi dangkal pada batu kapur. Simulasi ini mencakup berbagai skenario, mulai dari kondisi awal tanpa cavity, kondisi sebelum pembebanan dengan cavity, hingga kondisi setelah pembebanan diterapkan.
Sebelum cavity diperkenalkan, kondisi tegangan dalam massa batuan masih dalam keadaan geostatik, di mana distribusi tegangan terjadi secara merata akibat berat sendiri batuan. Tegangan maksimum yang terjadi berada di dasar model, dengan nilai sebesar -1438 kN/m².
Ketika cavity diperkenalkan, redistribusi tegangan terjadi di sekitar dinding cavity, menghasilkan zona tegangan tinggi di sekitarnya dan zona tegangan rendah di atas cavity. Perubahan ini menyebabkan batuan di sekitar cavity mengalami pelemahan dan deformasi. Pada kondisi kedalaman cavity H1=0.25B, hasil simulasi menunjukkan bahwa meskipun cavity telah terbentuk, distribusi tegangan vertikal maksimum dalam massa batuan masih -1438 kN/m², sama seperti kondisi awal tanpa cavity. Namun, terjadi deformasi kecil, dengan nilai penurunan maksimum sebesar -0.3616 cm untuk cavity terbesar (H1; D6). Lihat Gambar 7.
Gambar 8. Kurva load-displacement cavity H2
Gambar 9. Kontur tegangan akibat pembebanan saja, tanpa cavity
Situasi serupa juga terjadi pada kedalaman lainnya (H2=0.5B, H3=B, H4=2B, dan H5=3B), dimana tegangan maksimum masih dalam batas geostatik, namun nilai penurunan bervariasi tergantung pada ukuran cavity. Semakin besar diameter cavity, semakin besar redistribusi tegangan dan semakin besar pula penurunan yang terjadi.
Ketika beban mulai diterapkan di atas fondasi, massa batuan dengan cavity mengalami deformasi lebih besar dibandingkan kondisi tanpa cavity. Grafik loaddisplacement menunjukkan bahwa hubungan antara beban dan perpindahan memiliki pola non-linear, mengindikasikan bahwa deformasi plastis mulai mendominasi pada tahap akhir pembebanan.
Pada cavity dengan diameter kecil (D1), beban maksimum dicapai dengan perpindahan sebesar 4.5 cm. Sementara itu, cavity dengan diameter besar (D6) mengalami kegagalan lebih awal, dengan pola deformasi yang lebih besar, Gambar 8.
Saat pembebanan diterapkan, distribusi tegangan menunjukkan pola radial dengan konsentrasi tegangan tertinggi di bawah fondasi, Gambar 9. Tegangan ini mengikuti pola yang mirip dengan teori Boussinesq, dimana tegangan menyebar berbentuk kerucut dengan nilai maksimum di pusat fondasi.
Setelah beban diaplikasikan, pola tegangan dan penurunan massa batuan menunjukkan bahwa cavity memiliki pengaruh signifikan terhadap daya dukung. Pada kondisi tanpa cavity, tegangan maksimum yang terjadi di bawah fondasi adalah -4532 kN/m², dengan penurunan -4.50 cm, Gambar 10.
Namun, ketika cavity hadir, nilai tegangan dan penurunan bergantung diameter dan kedalaman cavity. Untuk cavity lebih kecil dan lebih dangkal, tegangan vertikal maksimum meningkat, sedangkan untuk cavity lebih besar dan lebih dalam, nilai tegangan menurun tetapi penurunan lebih besar.
Gambar 10. Kontur tegangan dan penurunan setelah pembebanan, tanpa cavity
Gambar 11. Kontur tegangan dan penurunan setelah pembebanan, cavity (H1)
Untuk cavity dengan kedalaman H1=0.25B, tegangan vertikal maksimum mencapai -4674 kN/m², sedangkan penurunan maksimum adalah 4.33 cm seperti ditunjukkan pada Gambar 11. Pada kedalaman yang lebih besar (H5=3B), tegangan maksimum lebih kecil (-3529 kN/m²), tetapi penurunan lebih besar (3.50 cm), menunjukkan bahwa cavity yang lebih dalam tidak memperburuk deformasi vertikal.
Mekanisme keruntuhan utama yang diamati dalam simulasi ini adalah punching shear failure, yang terjadi ketika tegangan vertikal dari fondasi melampaui kapasitas geser batuan. Pola deformasi plastis menunjukkan bahwa batuan tidak mampu
Gambar 12. Mekanisme keruntuhan cavity kecil dan besar
mendistribusikan beban secara merata, sehingga zona plastis berkembang secara progresif menuju cavity.
Cavity dengan diameter kecil menghasilkan jalur plastis berbentuk "X" atau arching, sedangkan cavity besar menyebabkan jalur plastis langsung menuju mahkota cavity seperti ditunjukkan pada Gambar 12. Hal ini mengindikasikan bahwa cavity berdiameter besar mempercepat kegagalan struktur batuan dibanding diameter kecil.
Dalam hal daya dukung fondasi, output perhitungan numerik menunjukkan bahwa dalam setiap kondisi cavity yang dimodelkan, nilai rasio daya dukung yang diperoleh (ḊMstage) selalu kurang dari 1. Hal ini menunjukkan bahwa beban merata sebesar 2,950 kN/ m² tidak dapat sepenuhnya dimobilisasi oleh batuan dalam kondisi terdapat cavity di dalamnya, yang mengindikasikan terjadi kegagalan sebelum beban mencapai kapasitas penuh.
Semakin besar nilai ḊMstage atau RHi;Dj ,pengaruh cavity pada massa batuan tersebut semakin kecil sehingga daya dukungnya mendekati daya dukung dengan kondisi tidak ada cavity. Sebaliknya, nilai ƩMstage atau RHi;Dj yang semakin kecil menandakan pengaruh cavity pada massa batuan tersebut semakin signifikan yang berarti daya dukung pada kondisi tersebut semakin kecil. Pada Tabel 5 dan Gambar 13, disajikan matriks dan grafik nilai daya dukung relatif untuk setiap kondisi cavity.
Matriks dan kurva pada Tabel 5 dan Gambar 13 menggambarkan bagaimana daya dukung berkurang seiring dengan bertambahnya diameter cavity atau berkurangnya kedalaman cavity.
Panduan klasifikasi cavity dapat dilihat dalam Tabel 6. Cavity besar dengan diameter besar D>B yang terletak pada kedalaman dangkal H<B menunjukkan penurunan drastis pada rasio daya dukung, ditandai dengan kurva yang menukik tajam ke bawah. Sebaliknya, cavity dengan diameter kecil D≤0.5B atau cavity yang berada pada kedalaman lebih dalam H>B memiliki pengaruh yang jauh lebih kecil terhadap rasio daya dukung, sebagaimana terlihat dari kurva yang cenderung mendatar. Hal ini menunjukkan bahwa cavity dengan kombinasi diameter besar dan
Tabel 5. Matriks nilai daya dukung relatif R Hi:Di
| 111,5 | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| \(R_{Hi;Dj}\) | |||||
| No H.= H. | H₅= | ||||
| 3 0.5B B 2B | oj Cavity 0.25B 0.5 | 3B | |||
| 0 1.0000 1.0000 1.0000 1. | vity 1.0000 1.0000 1.00 | 0 1.0000 | |||
| 6 0.9388 0.9317 0.8416 0. | 25B 1.0000 0.8806 0.93 | 6 0.7684 | |||
| 0 0.8164 0.8240 0.6444 0. | 5B 1.0000 0.7620 0.8-1 | 4 0.8131 | |||
| 4 0.4675 0.6337 0.5600 0. | '5B 1.0000 0.3744 0.46 | 0 0.7346 | |||
| 0 0.2528 0.4979 0.5174 0. | 1.0000 0.2260 0.25 | 4 0.6703 | |||
| 1 0.1264 0.2252 0.4092 0. | 1.0000 0.0851 0.12 | 2 0.5709 | |||
| 3 0.0922 0.1767 0.3457 0. | 1.0000 0.0503 0.09 | 7 0.5123 | |||
| 4 0.4675 0.6337 0.5600 0. 0 0.2528 0.4979 0.5174 0. 1 0.1264 0.2252 0.4092 0. | 1.0000 0.3744 0.46 1.0000 0.2260 0.29 1.0000 0.0851 0.12 | 0 0.73 4 0.67 2 0.57 | |||
Tabel 7. Kelas resiko pengaruh cavity terhadap daya dukung
| Resiko Tinggi (≥70%) | Resiko Sedang (30-70%) | Resiko Rendah (≤30%) |
|---|---|---|
| Diameter besar | Diameter sedang 0.5B| Diameter kecil | |
| D>B dan | di semua kedalaman ≥0.25B | D≤0.5B hampir di |
| kedalaman | Diameter besar D>B dan | semua kedalaman |
dangkal H| kedalaman dalam H≥B | ≥0.25B | |
kedalaman dangkal memiliki dampak paling signifikan terhadap penurunan daya dukung fondasi, sedangkan cavity kecil atau dalam memberikan pengaruh yang lebih minimal.
Panduan klasifikasi cavity dapat dilihat dalam Tabel 6. Cavity besar dengan diameter besar D>B yang terletak pada kedalaman dangkal H<B menunjukkan penurunan drastis pada rasio daya dukung, ditandai dengan kurva yang menukik tajam ke bawah. Sebaliknya, cavity dengan diameter kecil D≤0.5B atau cavity yang berada pada kedalaman lebih dalam H>B memiliki pengaruh yang jauh lebih kecil terhadap rasio daya dukung, sebagaimana terlihat dari kurva yang cenderung mendatar. Hal ini menunjukkan bahwa cavity dengan kombinasi diameter besar dan kedalaman dangkal memiliki dampak paling signifikan terhadap penurunan daya dukung fondasi, sedangkan cavity kecil atau dalam memberikan pengaruh yang lebih minimal.
Cavity dengan diameter besar dan kedalaman dangkal adalah penyebab utama penurunan daya dukung. Diameter besar mengurangi volume material penopang di atas cavity, sehingga beban fondasi tidak dapat terdistribusi secara merata. Kondisi ini semakin diperburuk oleh kedalaman dangkal, di mana zona plastis yang berkembang dari fondasi dapat dengan mudah menyambung ke mahkota cavity, memicu keruntuhan yang bersifat progresif. Pada kondisi ini, daya dukung dapat menurun hingga lebih dari 70%, membuat cavity dengan karakteristik ini menjadi prioritas utama dalam penanganan.
Grouting atau pengurangan diameter cavity dengan material berkekuatan tinggi, seperti semen grouting sangat diperlukan untuk memperkuat mahkota cavity dan mengembalikan daya dukung material di atasnya. Lihat Tabel 7 untuk penjelasan rincinya.
Cavity dengan diameter sedang, yang berkisar 0.5B<D≤B, memiliki dampak moderat pengurangan daya dukung. Pengaruh cavity ini terlihat
Gambar 13. Grafik pengaruh cavity terhadap daya dukung relatif R<sub>Hi</sub>;D<sub>j</sub>
pada kurva yang menurun tetapi tidak setajam cavity dengan diameter besar. Cavity sedang yang terletak di kedalaman lebih besar H≥B memberikan efek yang lebih kecil dibandingkan cavity pada kedalaman dangkal, karena material di atas cavity dapat membantu mendistribusikan beban dengan lebih baik. Meski begitu, cavity dengan diameter sedang tetap dapat memengaruhi daya dukung dalam jangka panjang, terutama jika deformasi plastis berkembang secara bertahap. Cavity dalam kategori ini dapat menjadi prioritas kedua untuk diperkuat, dengan fokus pada pengurangan diameter cavity untuk meningkatkan stabilitas.
Cavity diameter kecil memiliki pengaruh yang relatif kecil terhadap pengurangan daya dukung hanya kurang dari 30%. Cavity ini cenderung menyebabkan kurva yang stabil dan mendekati kondisi tanpa cavity, karena diameter kecil memungkinkan tegangan di sekitar cavity terdistribusi dengan lebih merata. Kedalaman cavity yang lebih besar semakin mengurangi pengaruh cavity terhadap daya dukung, karena material di atasnya mampu menahan beban dengan baik. Cavity kecil hanya perlu diperkuat jika terdapat indikasi potensi kegagalan jangka panjang, seperti deformasi plastis signifikan atau akumulasi keruntuhan progresif.
Dengan memahami dampak cavity berdasarkan grafik tersebut, prioritas penanganan dapat dilakukan secara efisien. Cavity dengan diameter besar dan kedalaman dangkal harus menjadi fokus utama dalam perbaikan, diikuti oleh cavity dengan diameter sedang, sementara cavity kecil hanya membutuhkan penanganan tambahan jika ditemukan potensi masalah di masa mendatang.
Setelah penanganan dilakukan, dilakukan survei geolistrik untuk memastikan ukuran dan kedalaman cavity baru. Dengan strategi ini, risiko kegagalan akibat cavity dapat diminimalkan, dan stabilitas struktur di atasnya dapat dijaga secara optimal.
Gambar 14 menyajikan hubungan antara rasio Dj/ Hi dan daya dukung relatif R<sub>Hi;Di</sub>. Pola eksponensial dengan persamaan y=0.7641e<sup>-0,283x</sup> dan nilai koefisien determinasi R<sup>2</sup>=0.7619 menunjukkan penurunan daya dukung relatif yang signifikan seiring meningkatnya rasio Di/Hi.
Pada nilai D/H<0.4, \(R_{Hi;Dj}\) tetap tinggi (>0.70), menandakan bahwa cavity kecil atau dalam memiliki pengaruh minimal terhadap stabilitas struktur. Namun,
Gambar 14. Hubungan Dj/Hi dengan daya dukung relatif
Gambar 15. Perbandingan hasil analisis dengan penelitian lain
saat D/H berada di antara 0.4 hingga 1.6, daya dukung relatif mulai menurun tajam ke kisaran 0.5-0.70. Kondisi ini menunjukkan cavity dengan diameter sedang yang mulai mendekati kedalamannya. Pada nilai D/H≥1.6, RHi;Dj turun ke bawah 0.50, menunjukkan cavity besar relatif terhadap kedalamannya yang menyebabkan penurunan daya dukung signifikan.
Grafik ini dapat lebih praktis digunakan karena menghilangkan pengaruh lebar fondasi B, sehingga fokus langsung pada parameter utama cavity: diameter D dan kedalaman H. Penurunan daya dukung kini dapat dievaluasi lebih cepat dan sederhana berdasarkan rasio Dj/Hi.
Terkait potensi resiko cavity sesuai Tabel 7, cavity dengan D/H≥1.6 memiliki risiko tertinggi dan harus menjadi prioritas utama untuk perbaikan, seperti pengurangan diameter cavity melalui grouting. Pada 0.4≤D/H<1.6, risiko moderat dapat dikelola dengan penguatan setelah cavity dengan risiko tinggi diatasi. Sementara itu, D/H<0.4 menunjukkan risiko kecil, sehingga penanganannya dapat ditunda kecuali terdapat indikasi kegagalan progresif.
Grafik perbandingan pada Gambar 15 menunjukkan bahwa penelitian ini memiliki kesamaan dengan penelitian (Yao Xiao M. Z., 2018) dan (Piyush Kumar, 2022) dalam hal tren pengaruh kedalaman cavity (Hi) terhadap daya dukung relatif (R). Secara umum, semakin besar Hi, daya dukung relatif cenderung meningkat, menunjukkan bahwa pengaruh cavity
Gambar 16. Daya dukung izin fondasi terhadap beban desain 13.5t/m2
terhadap penurunan daya dukung semakin kecil pada kedalaman yang lebih besar.
Namun, terdapat beberapa perbedaan penting dalam nilai daya dukung relatif. Pada diameter D=B, daya dukung relatif dari penelitian ini lebih rendah dibandingkan dengan (Piyush Kumar, 2022), terutama pada kedalaman cavity Hi<2.0B. Sebaliknya, untuk Hi>2.0B, hasil dari penelitian ini cenderung mendekati nilai daya dukung relatif (Piyush Kumar, 2022). Tren ini menunjukkan bahwa pada diameter D=B, hasil penelitian ini memberikan nilai R yang lebih konservatif dibandingkan dengan (Piyush Kumar, 2022) pada kedalaman lebih dangkal.
Disajikan grafik yang menunjukkan besarnya daya dukung izin fondasi untuk setiap kondisi cavity yang dibandingkan terhadap beban desain 13.5 t/m2 sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 16. Nilai 13.5 t/m2 adalah nilai beban desain yang spesifik untuk studi kasus dalam penelitian ini
Cavity yang berada pada kedalaman dangkal (H1=0.25B dan H2=0.5B) menunjukkan potensi risiko yang paling besar. Pada kedalaman ini, cavity dengan diameter D5=2B dan D6=3B tidak aman karena daya dukung izin fondasi masing-masing hanya mencapai 5.0 sampai 12.7 t/m², yang berada di bawah beban desain.
Diusulkan kriteria desain yang dapat diterapkan untuk Rencana Pembangunan Pabrik Amonia dan Urea, Kabupaten Fakfak, Papua Barat dengan beban desain 13.5 t/m2 dengan parameter batuan spesifik untuk lokasi tersebut.
1. Pemilihan lokasi fondasi.
Desain harus memastikan bahwa lokasi fondasi berada di area dengan cavity yang memiliki kedalaman cukup besar dibandingkan diameter cavity-nya H≥2B dan
D≤0.5B. Grafik menunjukkan bahwa pada kondisi ini daya dukung izin jauh lebih besar dari beban desain sebesar 13.5 ton/m², sehingga memberikan margin keamanan yang signifikan. Pemilihan lokasi yang tepat bertujuan untuk menghindari risiko kegagalan akibat interaksi zona plastis dari beban fondasi dengan mahkota cavity. Jika memungkinkan, hindari area dengan cavity yang dangkal H<B dan diameter besar D>B, karena daya dukungnya sering berada di bawah beban desain.
2. Perkuatan cavity dengan risiko tinggi
Untuk cavity yang tidak dapat dihindari, terutama cavity dengan kedalaman dangkal H<B dan diameter besar D>B, perkuatan harus dilakukan untuk meningkatkan daya dukung izin. Metode grouting menggunakan material berkekuatan tinggi adalah solusi utama untuk mengurangi diameter cavity secara efektif. Prioritas perkuatan harus diberikan pada cavity dengan risiko tinggi terlebih dahulu, di mana daya dukung izin sangat rendah.
3. Desain sistem fondasi yang adaptif
Jika cavity dengan risiko tinggi tidak dapat sepenuhnya diperbaiki atau dihindari, maka sistem fondasi harus dirancang untuk mendistribusikan beban secara lebih merata. Penggunaan fondasi bored pile dapat mengurangi tekanan langsung di atas cavity. Selain itu, dalam kondisi tertentu, pengurangan beban desain dapat dilakukan untuk memastikan bahwa tekanan pada cavity berada di bawah daya dukung izin. Kombinasi desain ini memberikan fleksibilitas dalam menghadapi cavity tanpa mengorbankan stabilitas struktur secara keseluruhan.
4. Kesimpulan
1Berdasarkan analisis yang telah dilakukan dapat ditarik beberapa kesimpulan utama sebagai berikut.
- 1. Dalam kondisi batuan lemah seperti yang dimodelkan, mekanisme keruntuhan utama yang diamati adalah punching failure. Keruntuhan ini terjadi ketika fondasi menembus lapisan atas batuan yang rapuh.
- 2. Cavity dengan diameter besar (D>B) yang terletak pada kedalaman dangkal (H<B) adalah cavity resiko tinggi yang berdampak terbesar terhadap penurunan daya dukung, dengan nilai pengurangan 70-90% dibandingkan kondisi tanpa cavity. Dalam hal prioritas penanganan, cavity dengan kondisi ini menjadi perhatian utama untuk penanganannya.
- 3. Terdapat hubungan eksponensial yang memudahkan pembacaan pengaruh cavity terhadap daya dukung tanpa melibatkan variabel lebar fondasi (B). Pendekatan ini menyederhanakan interpretasi hasil dan mempermudah penerapannya dalam desain teknis.
- 4. Dalam hal studi kasus penelitian, diajukan tiga kriteria desain untuk perencanaan yakni (1) pemilihan lokasi menghindari cavity resiko tinggi (2) perkuatan cavity resiko tinggi , dan (3) desain fondasi yang adaptif.
- 5. Perlu diperhitungkan perbedaan parameter batuan antara area di sekitar cavity dan jauh dari cavity. Hal ini dapat dilakukan dengan investigasi lapangan tambahan seperti pengeboran untuk mendapatkan data aktual.
- 6. Terdapat beberapa inkonsistensi pada nilai daya dukung relatif (R) untuk cavity kecil (D≤0.5B). Penelitian lanjutan diperlukan untuk mengklarifikasi dan memahami fenomena ini, baik melalui simulasi numerik yang lebih detail atau pengumpulan data tambahan.
- 7. Validasi lanjutan melalui eksperimen fisik, baik di laboratorium maupun lapangan, diperlukan untuk meningkatkan keandalan tiga kriteria desain yang diajukan.