Dalam dunia konstruksi dan rekayasa sipil, salah satu tantangan terbesar adalah membangun struktur di atas tanah lunak atau ekspansif. Tanah jenis ini memiliki karakteristik yang tidak stabil dan sering menyebabkan masalah serius pada bangunan, mulai dari retakan hingga kegagalan struktural total. Penelitian yang dilakukan oleh Bright Worlu dan Ify L. Nwaogazie dari Universitas Port Harcourt, Nigeria, menawarkan solusi inovatif melalui penggunaan stabilisator kimia polimer untuk perbaikan tanah.
Studi berjudul "Reliability Based Analysis of Ground Improvement Using a Polymeric Chemical Stabilizer" ini meneliti efektivitas penggunaan polivinil alkohol (PVA) yang dikombinasikan dengan asam 1,2,3,4 Butana-tetrakarboksilat (BTCA) untuk meningkatkan kualitas tanah lunak. Penelitian ini sangat relevan mengingat tantangan yang ditimbulkan oleh karakteristik tanah ekspansif terhadap stabilitas struktural, yang terkadang mengharuskan perbaikan tanah sebelum struktur dapat dibangun di atasnya.
Latar Belakang dan Pentingnya Perbaikan Tanah
Perbaikan tanah telah menjadi salah satu bidang utama dalam teknik geoteknik. Sebelum melakukan pembangunan atau konstruksi untuk struktur sipil atau kegiatan pertambangan, sangat penting untuk mengetahui jenis tanah setempat, penggunaan lahan saat ini dan masa depan, kekuatan yang diperlukan untuk menahan beban struktural, dan perkiraan biaya proyek.
Ketika tanah di lokasi yang dipilih tidak memiliki sifat struktural yang diinginkan, seperti kohesi yang tepat, sudut gesekan internal, daya dukung, faktor pengembangan, dan sebagainya, menjadi perlu untuk meningkatkan sifat-sifat ini menggunakan cara eksternal. Efek dari ketidakstabilan tanah dapat beragam, termasuk likuifaksi, penggelembungan, dan deformasi plastis. Dampak dari tanah yang tidak stabil juga dapat bersifat katastrofik, mulai dari kegagalan lereng dan penurunan pondasi hingga keruntuhan total terowongan dan timbunan tambang, bangunan, dan struktur lainnya.
Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan pendekatan berbasis reliabilitas untuk menganalisis penggunaan PVA dalam kombinasi dengan BTCA untuk perbaikan tanah. Desain kisi simplex digunakan untuk membangun desain eksperimen sebelum investigasi eksperimental dilakukan pada tanah lunak yang dirawat dengan PVA-BTCA.
Indeks reliabilitas dihitung berdasarkan kekuatan tekan bebas (UCS) pada hari ke-28 dari tanah yang dirawat. Model indeks reliabilitas dikembangkan menggunakan teknik Scheffe dan dioptimalkan menggunakan excel solver.
Sampel tanah lunak yang digunakan dalam penelitian ini memiliki karakteristik berikut:
- Berat jenis: 2,65 (representatif untuk material berbutir halus)
- Batas cair: 37,75%
- Batas plastik: 17,36%
- Indeks plastisitas: 20,39% (material tanah berbutir halus dengan plastisitas tinggi)
- Klasifikasi AASHTO: A-7-6 (material lempung-lanau)
- Distribusi butiran: Lanau (48,8%), Lempung (50%), Pasir halus (19,8%)
- Karakteristik pemadatan: Kadar air optimum (14,2%), Kepadatan kering maksimum (1,29 g/cm³)
Untuk campuran PVA-BTCA, PVA dibatasi pada 0,1%-2% dari berat tanah kering dan BTCA dibatasi pada 0,1%-0,5% dari berat tanah kering. Kadar air divariasikan dalam rentang 10%-20% dari berat campuran stabilisator-tanah untuk semua proses stabilisasi.
Teknik Optimasi Scheffe
Dalam mengestimasi dan memprediksi reliabilitas penggunaan PVA-BTCA dalam perbaikan tanah, teknik optimasi Scheffe digunakan. Menurut teori Simplex Scheffe, simplex didefinisikan sebagai representasi struktural (bentuk) garis atau bidang yang menghubungkan titik-titik yang diasumsikan dari bahan konstituen campuran, yang mana titik-titik tersebut berjarak sama satu sama lain.
Untuk campuran (q,m), dengan q adalah jumlah faktor dan m adalah derajat polinomial yang diasumsikan, sistem koordinat simplex dan jumlah titik ruang desain dalam kisi simplex didefinisikan oleh persamaan matematika tertentu. Metode ini mengandalkan kondisi bahwa jumlah dari semua rasio campuran pseudo pada titik manapun harus sama dengan 1.
Hasil dan Pembahasan
Dari hasil penelitian, nilai UCS untuk campuran percobaan PVA-BTCA bervariasi dari 261,48 kPa hingga 699,29 kPa, dengan nilai tertinggi diperoleh pada campuran dengan komponen aktual: 98,267% tanah, 1,3665% PVA, 0,3665% BTCA, dan 16,65% air.
Model indeks reliabilitas yang dikembangkan untuk tanah yang distabilkan dengan PVA-BTCA terbukti memadai pada tingkat signifikansi 5% dari analisis validasi yang dilakukan. Proporsi optimal komponen tanah PVA-BTCA adalah 98,4256% untuk tanah, 1,2352% untuk PVA, 0,3392% untuk BTCA, dan 15,9934% untuk air.
Hasil ini memberikan nilai indeks reliabilitas rata-rata (β) sebesar 3,17. Menggunakan tabel distribusi normal standar, nilai indeks reliabilitas ini diterjemahkan menjadi reliabilitas 0,99936 (99,936%). Ini menunjukkan bahwa kombinasi PVA-BTCA memiliki potensial reliabilitas atau probabilitas keberhasilan yang sangat tinggi dalam meningkatkan kualitas tanah lunak.
Keunggulan PVA Sebagai Stabilisator
Polivinil alkohol (PVA) adalah rantai polimer biodegradable yang larut dalam air terbesar yang memiliki sifat pembentuk film dan perekat yang sangat baik. PVA juga tahan terhadap gemuk, minyak, dan pelarut. PVA sangat hidrofilik dan larutan PVA dapat disiapkan dengan mudah dengan melarutkan PVA dalam air.
Dalam penelitian ini, PVA digunakan sebagai aditif stabilisasi utama bersama dengan asam 1,2,3,4-Butana-tetrakarboksilat (BTCA) sebagai agen pengikat silang. Kombinasi ini memberikan hasil yang sangat menjanjikan dalam meningkatkan kekuatan tekan tanah lunak dan reliabilitas keseluruhan perbaikan tanah.
Metode Reliabilitas Hasofer-Lind
Metode Hasofer-Lind, yang juga disebut metode reliabilitas orde pertama, digunakan untuk analisis reliabilitas dalam penelitian ini. Insinyur geoteknik berurusan dengan material di mana beban dan resistansi dikombinasikan dan yang distribusi dan sifatnya tidak diketahui dengan baik, sehingga menimbulkan ketidakpastian dalam desain.
Ketidakpastian dalam material geoteknik dapat ditangani dengan metode observasional yang secara luas diterima dan berhasil. Metode reliabilitas ini mengusulkan definisi baru untuk indeks reliabilitas menggunakan interpretasi geometris. Parameter statistik yang biasanya dijelaskan dengan mean, varians, dan kovarians harus mencakup sifat-sifat material geoteknik serta hubungannya.
Penentuan momen statistik dari fungsi kinerja pada dasarnya adalah perhitungan mean dan varians, sedangkan penentuan probabilitas kegagalan bisa kurang teliti jika fungsi kinerja memiliki deskripsi probabilistik yang terdefinisi dengan baik seperti distribusi normal.
Optimasi Komponen untuk Reliabilitas Tertinggi
Microsoft Excel Solver digunakan untuk mengoptimalkan atau menggabungkan komponen untuk menghasilkan hasil yang paling andal. Dalam optimasi, harus ada fungsi objektif yang tunduk pada serangkaian kendala. Dengan menggunakan kendala yang ditentukan, proporsi pseudo komponen tanah PVA-BTCA diperoleh sebagai: X₁ = 0; X₂ = 0,207831; X₃ = 0,792169, X₄ = 0; dengan Max(β) = 3,17.
Setelah menerapkan persamaan transformasi, komponen aktual atau nyata diperoleh sebagai: 98,4256% untuk tanah, 1,2352% untuk PVA, 0,3392% untuk BTCA, dan 15,9934% untuk air, memberikan nilai indeks reliabilitas 3,17. Menggunakan tabel distribusi normal, nilai indeks reliabilitas ini diterjemahkan menjadi reliabilitas 0,99936 (99,936%).
Kesimpulan dan Rekomendasi
Model indeks reliabilitas yang dikembangkan untuk tanah yang distabilkan dengan PVA-BTCA terbukti memadai pada tingkat signifikansi 5%. Proporsi optimal komponen tanah PVA-BTCA adalah 98,4256% untuk tanah, 1,2352% untuk PVA, 0,3392% untuk BTCA, dan 15,9934% untuk air, memberikan indeks reliabilitas 3,17 yang setara dengan reliabilitas 99,936%.
Peneliti merekomendasikan agar implikasi finansial penggunaan PVA-BTCA untuk stabilisasi dibandingkan dengan metode konvensional, untuk membandingkan rasio kinerja-biaya mereka. Ini penting untuk menentukan apakah solusi PVA-BTCA, meskipun sangat andal, juga layak secara ekonomi dibandingkan dengan metode perbaikan tanah konvensional.
Implikasi Praktis
Penelitian ini memiliki implikasi penting bagi industri konstruksi dan rekayasa sipil. Dengan reliabilitas 99,936%, penggunaan PVA-BTCA untuk perbaikan tanah menawarkan solusi yang sangat andal untuk masalah yang ditimbulkan oleh tanah lunak atau ekspansif. Ini dapat mengurangi risiko kerusakan struktural dan kegagalan, serta meningkatkan umur layanan struktur yang dibangun di atas tanah yang dirawat.
Selain itu, karena PVA adalah polimer biodegradable yang larut dalam air, penggunaannya sebagai stabilisator tanah juga menawarkan solusi yang lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan beberapa metode perbaikan tanah konvensional.
Penting juga untuk dicatat bahwa penelitian ini hanya mengevaluasi kinerja PVA-BTCA berdasarkan UCS pada hari ke-28. Penelitian lebih lanjut mungkin diperlukan untuk mengevaluasi kinerja jangka panjang dan stabilitas stabilisator kimia polimer ini.
Penggunaan teknik optimasi Scheffe dalam penelitian ini juga menunjukkan potensi aplikasi metode matematika canggih dalam optimasi desain campuran untuk aplikasi rekayasa geoteknik. Ini dapat menjadi pendekatan berharga untuk pengembangan solusi perbaikan tanah yang disesuaikan untuk berbagai jenis tanah dan kondisi.
Secara keseluruhan, penelitian Worlu dan Nwaogazie memberikan kontribusi berharga bagi literatur tentang perbaikan tanah dan stabilisasi, menawarkan wawasan baru tentang penggunaan stabilisator kimia polimer dan pendekatan berbasis reliabilitas untuk analisis kinerja mereka.
Sumber: Worlu, B., & Nwaogazie, I. L. (2023). Reliability Based Analysis of Ground Improvement Using a Polymeric Chemical Stabilizer. Open Journal of Civil Engineering, 13, 127-138.