Pengujian Triaksial atau Triaxial Test

Sebelum kita bahas lebih rinci tentang triaksial test untuk mendapatkan parameter mekanika tanah atau batuan seperti kohesi (C) dan sudut geser dalam (Φ), ada baiknya dipahami bahwa terdapat perbedaan tipe pengujian triaksial test dan hubungannya dengan pengujian pada sampel batuan dan pada sampel tanah, karena pengujian triaksial di dunia teknik sipil dan dunia teknik pertambangan agak berbeda, penjelasan lebih lanjut dapat dilihat pada bagian akhir,

Secara sederhana yang membedakan anatara triksial dan direct shear test adalah; pada direct shear test diberikan gaya normal konstan pada bidang vertical (Fz) dan kemudian diberikan gaya geser pada bidang horizontal (Fx) sampai batuan pecah atau mengalami keruntuhan, sedangkan pada pengujian triaksial diberikan gaya tekan konstan diseluruh arah pada bidang lateral/ horizontal sampel batuan (σ3) dan kemudian diberikan gaya tekan pada bidang aksial / vertical atau (σ1) hingga batuan mengalami keruntuhan.

Gamba1. (Atas) Triaxial Test dan (Bawah) Direct Shear Test.

Pada tes kompresi triaksial konvensional, suatu spesimen silinder yang dibungkus dengan membran karet dan diletakkan pada suatu sel triaksial di mana dia dikenakan tekanan fluida. Suatu beban kemudian diberikan mengikuti sumbu spesimen, menaikan tegangan sumbu sampai keruntuhan terjadi. Pada kondisi-kondisi tersebut, tegangan-tegangan minor dan pertengahan, masing masing σ3 dan σ2, sama dengan tekanan fluida; tegangan utama mayor, σ1, disediakan oleh baik tekanan fluida dan tegangan aksial yang diberikan oleh piston beban. Tegangan deviator atau perbedaan tegangan utama adalah (σ1- σ3) yaitu perbedaan antara tegangan-tegangan utama mayor dan minor.

Kondisi-kondisi drainase selama pemberian tekanan sel dan beban aksial, masing-masing menjadi dasar klasifiksasi umum tes kompresi triaksial ada 3 yaitu;

• Tak terkonsolidasi dan tak terdrainase (UU). Pada tes ini, suatu tekanan sel diberikan pada spesimen tes dan tegangan deviator atau penggeseran diberikan segera setelah tekanan sel stabil. Drainase tidak diizinkan selama pemberian tekanan sel (tegangan keliling) dan drainase tidak diizinkan selama pemberian tegangan deviator. Pengujian Unconsolidated Undrained (UU) dilakukan untuk mensimulasikan kondisi di lapangan apabila penambahan/pemberian beban relatif cepat sehingga lapisan tanah belum sempat terkonsolidasi (air di dalam pori tanah tidak sempat mengalir ke luar selama proses pemberian beban), oleh karena itu pengujian ini juga dinamakan quick test. Sebagai contoh dalam kasus ini adalah suatu lapisan tanah yang menerima beban relatif cepat seperti beban urugan yang berlangsung relatif singkat.

• Terkonsolidasi-tak terdrainase (CU). Pada tes ini, drainase diizinkan selama pemberian tegangan keliling dan spesimen sepenuhnyan terkonsolidasi di bawah tegangan ini. Drainase tidak diizinkan selama pemberian tegangan deviator. Pengujian Consolidated Undrained (CU) dilakukan untuk mensimulasikan kondisi lapisan tanah yang telah terkonsolidasi dan kemudian menerima penambahan beban yang relatif cepat. Pada kasus ini mula-mula air di dalam pori tanah dibiarkan mengalir keluar akibat proses konsolidasi, dan setelah tanah terkonsolidasi sempurna (100%), lapisan tanah tersebut menerima tambahan beban yang relatif cepat sehingga air di dalam pori tanah pada saat penambahan beban tidak sempat mengalir ke luar. Sebagai contoh pada kasus ini adalah beban tanki yang didirikan di atas suatu urugan pada tanah lempung yang telah mengalami konsolidasi 100%.

• Terkonsolidasi-terdrainase (CD). Pada tes ini, drainase diizinkan baik selama pemberian tegangan keliling dan tegangan deviator sehingga spesimen sepenuhnya terkonsolidasi di bawah tegangan keliling dan tekanan pori ekses tidak terbentuk selama penggeseran. Pengujian Consolidated Drained (CD) dilakukan untuk mensimulasikan kondisi pemberian beban pada tanah yang telah terkonsolidasi dengan kecepatan yang relatif lambat dibandingkan dengan keluarnya air dari pori tanah.

Kita bahas lebih rinci mengenai ketiga tipe pengujian ini;
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1. Tes Tak Terkonsolidasi-Tak Terdrainase (UU)


ASTM D2850-87 menjelaskan suatu metode standar untuk menentukan kuat tekan tak terkonsolidasi, tak terdrainase tanah kohesif pada kompresi triaksial.

Hal-hal berikut berkenaan dengan metode tes dibuat:

• Suatu prosedur untuk mendapatkan pengukuran tekanan pori tidak dimasukkan.
• Keruntuhan didefinisikan sebagai tegangan pada spesimen berkaitan dengan tegangan deviator maksimum yang dicapai atau tegangan deviator pada regangan aksial 15%, tergantung yang mana tercapai terlebih dahulu selama pengetesan.
• Jika spesimen tes sepenuhnya jenuh, selubung keruntuhan Mohr biasanya akan berupa garis lurus horizontal sepanjang keseluruhan tegangan keliling yang bekerja pada spesimen; pada kasus tanah-tanah yang jenuh sebagian, selubung keruntuhan Mohr failure biasanya melengkung
• Beban diberikan sedemikian rupa sehingga menghasilkan regangan aksial pada suatu laju sekitar 1% per menit untuk bahan-bahan plastik, dan 0,3% per menit untuk bahan-bahan getas yang mencapai tegangan deviator maksimum pada sekitar 3 sampai 6 % regangan. Pembebanan dilanjutkan sampai mencapai 15% regangan aksial tetapi bisa dihentikan jika tegangan deviator telah mencapai puncak dan kemudian turun 20%, atau regangan aksial telah mencapai 5% di luar regangan di mana tegangan deviator puncak terjadi.
• Beban yang cukup dan pembacaan deformasi harus diambil untuk mendefinisikan kurva tegangan-regangan.
• Suatu sketsa atau foto harus dibuat berisi spesimen tes pada saat keruntuhan, memperlihatkan sudut kemiringan bidang keruntuhan jika sudut terlihat dan dapat diukur.

Suatu selubung keruntuhan Mohr yang tidak horizontal pada suatu lempung lunak kemungkinan pertanda bahwa sampel tidak sepenuhnya jenuh. Hal ini harus disebutkan pada lembar pengujian dan jika suatu nilai f didapati hasil tersebut harus disertai dengan suatu catatan berisi peringatan.

Gambar 2. Ilustrasi Pengujian Triaksial Unconsolidated undrained.

Penerapan;

Kekuatan triaksial yang didapat pada kondisi-kondisi tak terkonsolidasi tak terdrainase berlaku untuk situasi-situasi desain di mana pembebanan sangat cepat sehingga tidak cukup waktu untuk tekanan air pori yang terbentuk untuk berdisipasi dan untuk konsolidasi terjadi (artinya drainase tidak terjadi). Kekuatan triaksial yang diukur pada kondisi-kondisi UU digunakan untuk menentukan kekuatan pada akhir konstruksi. Konstruksi timbunan pada deposit lempung merupakan suatu contoh situasi di mana kuat geser tak terdrainase in situ akan menentukan stabilitas.

Perlu dicatat bahwa kuat geser tak terdrainase ôf, tegangan geser pada bidang keruntuhan pada saat keruntuhan diambil sebagai setengah kuat tekan tak terdrainase (σ1-σ3 ) yaitu;

σf = (σ1 - σ3)/2

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2. Tes Terkonsolidasi-Tak Terdrainase (CU)

Suatu metode standar untuk melaksanakan tes kompresi triaksial terkonsolidasi tak terdrainase pada tanah-tanah kohesif dijelaskan pada ASTM D4767-88.

Hal hal berikut dibuat berkenaan dengan penjelasan metode tes:

• Spesimen yang dikonsolidasikan secara isotropis digeser tak terdrainase pada kompresi dengan laju deformasi aksial yang konstan (kontrol regangan).
• Metode tersebut menyediakan perhitungan tegangan total dan efektif pada, dan kompresi aksial spesimen tes melalui pengukuran beban aksial, deformasi aksial dan tekanan air pori.
• Kekuatan dan sifat-sifat deformasi tanah-tanah kohesif, seperti selubung kekuatan Mohr dan modulus Young, bisa ditentukan dari data tes.
• Tiga spesimen biasanya diuji pada tegangan konsolidasi efektif yang berbeda untuk membuat suatu selubung kekuatan.
• Keruntuhan sering diambil berkaitan dengan tegangan deviator maksimum yang dicapai atau tegangan deviator yang dicapai pada 15% regangan aksial, tergantung yang mana dulu tercapai pada tes. Bergantung pada perilaku tanah dan aplikasi lapangan, kriteria keruntuhan lainnya bisa didefinisikan seperti rasio tegangan utama efektif σ'1/σ'3, atau tegangan deviator pada regangan aksial yang dipilih selain 15%.
• Tekanan air pori bisa diukur menggunakan kalau tidak transducer tekanan elektronik yang sangat kaku atau suatu alat yang menandakan nol.
• Komponen-komponen konsolidasi dan penggeseran dari tes harus dilakukan pada suatu lingkungan di mana fluktuasi suhu kurang dari ±4°C dan tidak ada kontak langsung dengan cahaya matahari.
• Penjenuhan dicapai dengan memberikan tekanan balik pada air pori spesimen untuk membuat udara pada rongga pori menjadi larutan pada air pori. Derajat penjenuhan diukur menggunakan parameter tekanan pori B yang didefinisikan sebagai: B = (Äu/Äs3 ) di mana: Äu = perubahan tekanan pori spesimen yang terjadi sebagai akibat perubahan tekanan sel pada saat katup drainase spesimen tertutup dan Äs3 = perubahan tekanan sel.
• Selama konsolidasi, data-data didapat untuk penggunaan pada penentuan kapan konsolidasi selesai dan untuk menghitung laju regangan yang akan digunakan untuk komponen penggeseran tes.
• Konsolidasi dibiarkan berlanjut selama sekurang-kurangnya satu seri log waktu atau satu periode semalam setelah 100% konsolidasi primer dicapai, seperti yang ditentukan oleh salah satu prosedur yang dijelaskan di ASTM D2435-90; waktu untuk 50% konsolidasi primer, t50, ditentukan oleh salah satu prosedur yang dijelaskan di ASTM D2435-90.
• Jika keruntuhan diasumsikan terjadi setelah 4% regangan aksial, laju regangan yang sesuai bisa diperoleh dengan membagi 4% terhadap 10 kali nilai t50; jika diperkirakan keruntuhan akan terjadi pada nilai regangan yang lebih rendah dari 4%, laju regangan yang sesuai didapat dengan membagi regangan pada saat keruntuhan dengan 10 kali nilai t50.
• Suatu sketsa atau foto harus dibuat mengenai spesimen yang runtuh yang memperlihatkan cara keruntuhan (bidang geser, penonjolan, dan sebagainya).

Gambar 3. Ilustrasi Pengujian Triaksial Consolidated Undrained.

Penerapan;

Kuat geser pada tes ini diukur pada kondisi-kondisi tak terdrainase dan bisa diterapkan untuk kondisi lapangan di mana; (i) tanah-tanah yang telah sepenuhnya dikonsolidasikan pada satu rangkaian tegangan diberi suatu perubahan tegangan tanpa kesempatan konsolidasi lebih lanjut terjadi dan (ii)

kondisi-kondisi tegangan lapangan mirip dengan yang di tes.

Karena pengukuran tekanan air pori dilakukan, kuat geser bisa dinyatakan dalam bentuk tegangan efektif dan bisa diterapkan untuk kondisi-kondisi lapangan di mana (i) drainase sempurna bisa terjadi atau (ii) di mana tekanan pori yang timbul akibat pembebanan bisa diperkirakan dan (iii) di mana kondisi-kondisi tegangan lapangan mirip dengan yang di lapangan. Kuat geser yang didapat dari tes, dinyatakan dalam bentuk tegangan-tegangan total atau efektif, biasanya digunakan pada analisis stabilitas timbunan.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3. Tes Terkonsolidasi-Terdrainase (CD)

Tahap-tahap penjenuhan, konsolidasi dan kompresi dari sebuah tes kompresi triaksial terkonsolidasi terdrainase dengan pengukuran perubahan volume dijelaskan pada Klausa 5,6 dan 8, masing-masing pada BS 1377: Part 8 : 1990. Untuk kemudahan perujukan, klausa-klausa tersebut dicantumkan di sini pada Appendiks B. Persiapan contoh tak terganggu untuk pengujian dijelaskan pada

Appendiks C.

Tahap Penjenuhan

Dua prosedur penjenuhan dijelaskan:

• Penjenuhan dengan memberikan kenaikan tekanan sel dan tekanan balik secara bergantian. Tahap-tahap kenaikan tekanan sel dilaksanakan tanpa membiarkan drainase masuk atau keluar spesimen, yang memungkinkan nilai-nilai koefisien tekanan pori B untuk ditentukan pada masing-masing tingkatan tekanan total
• Penjenuhan dengan hanya menaikkan tekanan sel; air tidak diizinkan untuk masuk atau keluar spesimen selama prosedur ini sehingga diberi nama "penjenuhan pada kadar air yang konstan".

Pada prosedur pertama spesimen dianggap jenuh jika tekanan pori tetap stabil setelah 12 jam, atau semalam, dan nilai B sama dengan atau lebih besar dari 0,95. Pada prosedur kedua, spesimen dianggap jenuh jika salah satu kriteria ini dipenuhi.

Tahap Konsolidasi

Tahap konsolidasi berlangsung segera setelah tahap penjenuhan dan memakai alat yang sama. Tujuan dari tahap ini adalah untuk membuat spesimen berada dalam keadaan tegangan efektif yang dibutuhkan untuk melaksanakan tes kompresi.

Data dari tahap konsolidasi digunakan untuk:

• Memperkirakan laju regangan yang cocok untuk diterapkan selama tes kompresi
• Menentukan kapan konsolidasi selesai
• Menghitung dimensi spesimen pada permulaan tahap kompresi.

Konsolidasi spesimen dilanjutkan sampai tidak ada lagi perubahan volume yang signifikan dan sampai derajat konsolidasi U, seperti didefinisikan dalam prosedur, sama dengan atau lebih besar dari 95%.

Suatu grafik perubahan volume yang terukur terhadap akar kuadrat waktu diplot dan suatu metode penentuan t100 dari grafik dijelaskan; t100 digunakan untuk memperkirakan waktu pengujian yang siginifikan (dalam menit) pada tes kompresi dan sebab itu laju perpindahan aksial.

Formula-formula disajikan untuk menghitung koefisien konsolidasi cv (m²/tahun), dan koefisien kompresibilitas volume mv (m²/MN) untuk konsolidasi isotropik. Faktor-faktor yang akan digunakan waktu menghitung cv, dan waktu pengujian yang signifikan pada tes kompresi, diberikan pada sebuah

tabel sebagai fungsi kondisi drainase selama konsolidasi.

Tahap Kompresi

Selama kompresi, drainase bebas air pori dari spesimen diizinkan. Volume cairan pori yang keluar atau masuk spesimen diukur melalui indikator perubahan volume pada garis tekanan balik dan sama dengan perubahan volume spesimen selama geser; tekanan pori bisa dimonitor pada dasar alat sebagai suatu pengetesan efisiensi drainase.

Tes dilaksanakan dengan cukup lamban untuk menjaga perubahan-perubahan tekanan pori akibat penggeseran dapat diabaikan. Kompresi diberi pada suatu laju perpindahan aksial (dr, dalam mm/min) sedekat mungkin terhadap, tetapi tidak melebihi yang diberikan oleh formula:

dr = (åf ×Lc)/tf

di mana;

• Lc = panjang spesimen yang terkonsolidasi, mm
• åf = interval regangan yang signifikan untuk spesimen tes
• tf = waktu pengujian yang siginifikan, menit

Nilai tf diberikan sebagai:

• tf = Ft100

di mana F diambil dari tabel yang disebutkan sebelumnya. Sebagai contoh, jika rasio tinggi terhadap diameter spesimen adalah 2 dan drainase selama konsolidasi adalah dari batas radial dan kedua ujung,

nilai F untuk suatu tes terdrainase adalah 16.

Nilai åf diperkirakan dengan mempertimbangkan hal-hal berikut:

1. Jika hanya kondisi tegangan pada saat keruntuhan (seperti didefinisikan di bawah) yang signifikan, åf adalah regangan perkiraan pada saat keruntuhan akan terjadi.
2. Jika pembacaan-pembacaan antara yang memiliki rentang kurang lebih sama, masing-masing membutuhkan penyamaan tekanan pori, adalah signifikan, åf adalah kenaikan regangan antara masing-masing pembacaan.

Kriteria untuk kondisi tegangan pada saat keruntuhan diberikan pada Klausa 1 BS 1377 : Part 8 : 1990 dan adalah sebagai berikut:

• Tegangan maksimum deviator, yaitu perbedaan tegangan utama maksimum, (σ1-σ3)f.
• Rasio tegangan utama efektif maksimum, σ'1/σ '3.
• Jika penggeseran berlanjut pada tekanan pori yang konstan (kondisi tak terdrainase) atau tanpa perubahan volume (kondisi terdrainase), di kedua kasus pada tegangan geser yang konstan.

Tekanan pori harus diamati secara periodik dan jika dia bervariasi terhadap nilai-nilai tekanan balik dengan lebih dari 4% tekanan keliling efektif, laju regangan harus dikurangi 50% atau lebih.

Sekurangnya 20 rangkaian pembacaan pengukur deformasi, alat gaya dan pengukur perubahan volume harus dilakukan agar kurva tegangan-regangan dapat didefinisikan secara jelas di sekitar keruntuhan. 

Tes dilanjutkan sampai kondisi-kondisi berikut telah secara jelas diidentifikasi:

• Tegangan deviator maksimum, atau;
• Deformasi geser tetap berlangsung pada volume konstan dan tegangan geser konstan.

Jika tidak satupun kondisi-kondisi keruntuhan yang diperlukan nampak, tes dihentikan pada regangan aksial 20%; pada kasus ini kuat geser tidak dilaporkan.

Gambar 4. Ilustrasi Pengujian Triaksial Consolidated Drained.

Penerapan

Hasil-hasil tes CD yang dilakukan pada tanah kohesif bisa diterapkan pada situasi-situasi di mana konstruksi akan berlangsung pada laju yang cukup lambat sehingga tidak ada tekanan pori ekses yang terjadi atau waktu yang cukup telah lewat sehingga semua tekanan pori ekses telah terdisipasi (AASHTO 1988).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Penjelasan diatas kalau dicermati dengan baik hanya membahas pengujian untuk sampel tanah dalam kondisi pekerjaan sipil, sedangkan untuk kita yang bekerja pada bidang pertambangan tentu tidak hanya berhubungan dengan tanah saja tetapi juga berhubungan dengan batuan, maka dalam hal ini kita harus memahami dua mekanika yang serupa tapi tak sama yaitu mekanika tanah dan mekanika batuan.

Sekarang mari kita bahas, pada dasarnya ketiga jenis test ini tergantung pada proses konsolidasi dan tegangan air pori (pore water perssure) dan hubungannya ke proses drainasi pada tanah, yang jadi pertanyaan adalah apa proses konsolidasi juga terjadi pada batuan ? kalau tegangan air pori tentu ada tergantung dari permeabilitas dan porositas batuannya seperti yang telah kita bahas disini. 

Untuk mengerti pertanyaan tersebut mari coba kita pahami arti dari proses konsolidasi tanah;

Konsolidasi adalah proses pemampatan tanah akibat adanya beban tetap dalam jangka waktu tertentu. Pemampatan awal pada umumnya adalah disebabkan oleh pembebanan awal (preloading). Konsolidasi Primer yaitu periode selama tekanan air pori secara lambat laun dipindahkan ke dalam tegangan efektif, sebagai akibat dari keluarnya air dari pori-pori tanah. Konsolidasi sekunder terjadi setelah tekanan air pori hilang seluruhya. Pemampatan yang terjadi di sini disebabkan oleh penyesuaian yang bersifat plastis dari butir-butir tanah.

Berarti dari pengertian diatas proses konsolidasi tidak terjadi pada batuan massive atau batuan yang relatif kompak sehingga pada sampel batuan dilakukan pengujian minimal 5 sampel dengan pemberian gaya dengan nilai σ3 yang berbeda beda kemudian ditekan pada bidang vertical atau diberikan tegangan aksial (σ1) hingga batuan mengalami keruntuhan. Pada uji ini, tegangan menengah dianggap sama dengan nilai tekanan pemampatan  σ2 = σ3.

Nilai dari σ3 dan σ1 dari 5 sampel tersebut kemudian dapat diplot pada dengan menggunakan selubung mohr coloumb, dan tentukan garis regressi sehingga didapat nilai Kohesi dan sudut geser dalamnya.

Gambar 5. Ilustrasi Selubung Mohr Coloumb.

Kemudian dari pengalaman pribadi ketika melakukan pengujian triaxial di laboratorium mekanika batuan ITB fluida yang digunakan pada saat pengujian adalah oli sedangkan seperti kita ketahui bersama secara umum pengujian triaksial dilakukan dengan menggunakan fluida air. Hal ini mungkin berkaitan viskositas fluida dan gaya tekan yang bekerja terhadap sampel batuan, CMIIW.

Gambar 6. Mesin/ Alat Uji Triaksial di Lab ITB.

Gambar 7. Software pengukur kekuatan tekan aksial (σ1).

Gambar 8. Batuan mengalami keruntuhan pada saat diberikan tekanan aksial maksimum (σ1).

Karena tulisan ini sudah terlalu panjang, maka kita cukupkan sampai disini dulu, jika ada yang meragukan atau kurang jelas kita bisa diskusikan di kolom komentar atau langsung email ke saya, insyallah saya bales, hehe;

Semoga Bermanfaat, see ya

Credits and Thanks to;

• Buku Panduan Geoteknik oleh Pusat Litbang Prasarana Transportasi, Bandung melalui Kontrak Proyek Tahap 2, Indonesian Geotechnical Materials and Construction Guides. Edisi Pertama Nopember 2001.
• Buku Geoteknik Tambang, Irwandi Arif, 2016
• Buku Mekanika Batuan, Made Astawa Rai, S Karmadibrata, R.K. Wattimena
• https://james-oetomo.com/2013/07/26/uji-triaksial-geser-kilasan-umum/
• http://warungsipil.blogspot.com/2017/02/konsolidasi-tanah.html
• https://andrieasgunawan.blogspot.com/2013/03/mekanika-tanah-2-konsolidasi-dan.html
• Ilustrasi Gambar dari video youtube ini