Fenomena likuifaksi tanah telah lama menjadi tantangan serius dalam rekayasa geoteknik, khususnya pada struktur yang dibangun di atas fondasi tiang. Saat terjadi gempa bumi, tanah berpasir jenuh air dapat kehilangan kekuatannya, menyebabkan penurunan tajam, pergeseran horizontal, hingga keruntuhan struktur. Studi oleh Asaadi dan Sharifipour (2015) mengeksplorasi bagaimana interaksi antara tanah dan tiang tunggal mampu mengurangi potensi likuifaksi melalui pendekatan simulasi numerik dua dimensi menggunakan perangkat lunak FLAC2D.
Fokus Penelitian: Kombinasi Parameter Tanah dan Gempa
Fokus penelitian ini adalah untuk mengeksplorasi pengaruh kombinasi parameter tanah dan gempa terhadap perilaku interaksi tanah-tiang. Tiga jenis tanah pasir yang digunakan dalam penelitian ini berdasarkan kepadatan relatif (Dr) meliputi tanah lepas dengan Dr 35%, tanah semi-padat dengan Dr 55%, dan tanah padat dengan Dr 75%. Untuk analisis, tiga gempa bumi yang berbeda dijadikan masukan simulasi, yaitu gempa Kocaeli di Turki dengan frekuensi dominan 0.29 Hz dan magnitudo 7.4, gempa Kobe di Jepang dengan frekuensi dominan 0.95 Hz dan magnitudo 6.9, serta gempa Bam di Iran dengan frekuensi dominan 4.1 Hz dan magnitudo 6.5. Semua kombinasi ini dimodelkan pada kedalaman tanah 15 m dan lebar 60 m menggunakan mesh yang terdiri dari 600 zona. Di tengah model, tiang beton sepanjang 15 m dan diameter 0.6 m dipasang sebagai elemen utama interaksi, memungkinkan analisis yang mendalam terhadap respons struktur terhadap variasi kondisi tanah dan karakteristik gempa.
Model dan Metode: Pendekatan Realistis pada Interaksi Tanah-Tiang
Model dan metode yang digunakan dalam pendekatan realistis pada interaksi tanah-tiang melibatkan pemodelan tanah dengan menggunakan model Mohr-Coulomb yang mempertimbangkan plastisitas nonlinier, sementara tiang beton dimodelkan sebagai elemen elastis linear. Interaksi antara tanah dan tiang direpresentasikan melalui interface spring yang mencakup shear dan normal stiffness, mencerminkan karakteristik permukaan kasar tiang terhadap tanah. Parameter tanah yang digunakan dalam simulasi mencakup sudut gesek (friction angle) yang bervariasi dari 30° untuk tanah loose hingga 38° untuk tanah dense, serta nilai modulus geser (G) yang meningkat dari 23 MPa pada tanah loose menjadi 36 MPa pada tanah dense. Simulasi dilakukan dalam tiga tahap, yaitu geostatik, pemasangan tiang, dan input gempa dinamik, dengan penerapan boundary free-field untuk meminimalkan refleksi gelombang, sehingga menghasilkan analisis yang lebih akurat terhadap perilaku interaksi tanah-tiang dalam kondisi dinamis.
Parameter Utama: Ru sebagai Indikator Likuifaksi
Parameter Ru (rasio tekanan pori berlebih terhadap tegangan vertikal efektif awal) digunakan untuk mengukur tingkat likuifaksi. Nilai Ru ≥ 1 menunjukkan kondisi tanah mengalami likuifaksi.
Hasil dan Analisis
1. Pengaruh Kepadatan Tanah
- Tanah lepas (Dr=35%) menunjukkan Ru mencapai 1 di area bebas, namun <0.95 di sekitar tiang, menandakan bahwa tiang mencegah likuifaksi lokal.
- Semakin padat tanahnya, semakin kecil nilai Ru.
- Tiang tunggal efektif menahan deformasi geser dan mencegah kenaikan tekanan pori berlebih.
2. Pengaruh Nilai PGA
- Pada gempa Kobe, dengan PGA 0.2 g dan 0.4 g, likuifaksi terjadi lebih cepat pada PGA tinggi.
- Namun, area di dekat tiang tetap aman (Ru < 0.95).
- Displacement maksimum pada kepala tiang:
- PGA 0.2 g → 34 mm
- PGA 0.4 g → 44 mm
- Penurunan tanah di sekitar tiang:
- PGA 0.2 g → 13 mm
- PGA 0.4 g → 15 mm
- Sebagai perbandingan, area bebas mengalami penurunan hingga 80–100 mm, menunjukkan efektivitas struktural tiang dalam menahan deformasi.
3. Pengaruh Frekuensi Gempa
- Gempa Kocaeli (frekuensi rendah 0.29 Hz) menghasilkan deformasi paling besar:
- Displacement kepala tiang: 170 mm
- Penurunan tanah sekitar tiang: 24 mm
- Gempa dengan frekuensi tinggi (Bam, 4.1 Hz) menunjukkan penurunan likuifaksi, karena tanah tidak sempat menyerap energi secara penuh.
- Kesimpulan: frekuensi lebih tinggi mengurangi kerentanan terhadap likuifaksi, meski tidak berkorelasi langsung dengan deformasi total.
Interpretasi Kritis dan Nilai Tambah
Studi ini menegaskan bahwa tiang tunggal dapat berfungsi sebagai penguat lokal untuk tanah berpasir jenuh air, dengan memperkecil deformasi lateral dan vertikal. Namun, efektivitas ini sangat bergantung pada:
- Tipe tanah
- Kedalaman pemasangan
- Bentuk dan kekakuan tiang
- Karakteristik gempa
Penting untuk dicatat bahwa hasil ini diperoleh dari simulasi numerik, dan perlu verifikasi lapangan atau uji model fisik untuk implementasi praktis.
Selain itu, pendekatan ini belum memasukkan interaksi struktur di atas tiang (superstruktur), sehingga perlu penelitian lanjutan agar desain lebih holistik.
Relevansi Industri dan Tren Global
Dengan meningkatnya pembangunan infrastruktur di zona seismik aktif, simulasi seperti ini memberikan fondasi penting untuk:
- Desain fondasi tahan gempa
- Mitigasi risiko pada proyek dermaga, jembatan, dan gedung tinggi
- Pengembangan software geoteknik berbasis AI
Hal ini juga sejalan dengan tren teknik sipil berkelanjutan yang berfokus pada pencegahan risiko sebelum bencana terjadi.
Kesimpulan
Simulasi numerik interaksi tanah-tiang yang dilakukan oleh Asaadi dan Sharifipour memberikan gambaran yang komprehensif tentang cara tiang tunggal mempengaruhi potensi likuifaksi tanah jenuh. Temuan kunci meliputi:
- Tiang efektif menurunkan tekanan pori berlebih dan deformasi.
- Kepadatan tanah dan karakteristik gempa sangat menentukan risiko likuifaksi.
- Frekuensi gempa tinggi cenderung mengurangi risiko likuifaksi, walaupun deformasi akhir tetap perlu dianalisis secara terpisah.
Studi ini memperkaya literatur geoteknik dan memberikan pijakan kuat untuk pengembangan fondasi tahan gempa dengan pendekatan berbasis simulasi.
Sumber : Asaadi, A., & Sharifipour, M. (2015). Numerical simulation of liquefaction susceptibility of soil interacting by single pile. International Journal of Mining & Geo-Engineering, 49(1), 47–56.