KAJIAN METODE ANALISIS GELOMBANG SEISMIK PERMUKAAN ...

VOLUME 14, NO. 3, EDISI XXXVI OKTOBER 2006

MEDIA KOMUNIKASI TEKNIK SIPIL224

KAJIAN METODE ANALISIS GELOMBANG SEISMIK PERMUKAAN(SASW) UNTUK PENGEMBANGAN TEKNIK EVALUASI

PERKERASAN LENTUR DAN KAKU DI INDONESIA

Sri Atmaja P. Rosyidi1

Diterima 10 Juli 2006

ABSTRACT

The need of accurate, cost-effective, fast and non-destructive evaluation ofIndonesian pavement system is becoming ever important because the rehabilitationand management of roads is becoming increasingly difficult due to the increasingnumber of aging roads and limited budgets. An important feature of qualityassessment of a pavement management system is the ability to determine the currentcondition and to predict future condition of the pavement. In order to establish thestructural capacity of the existing roads, accurate information of the layer elasticmoduli and thicknesses are needed. The aim of this paper is to describe the potentialtechnique of the Spectral Analysis of Surface Wave (SASW) method for assessing thedynamic stiffness of constructed pavements. The SASW is a non-destructive in situseismic technique which is based on the dispersion phenomena of Rayleigh waves inlayered media. A set of transient impact source is used to generate Rayleigh waveenergy that propagates horizontally near the surface layer of the pavement. Throughtwo vertical accelerometers, the motion of the wave at the range of each frequency isrecorded. The phases differences from the cross-power spectrum is then unwrappedand the dispersion curve of the phase wave velocity versus wavelength are thengenerated. An inversion process is iteratively employed to confirm the experimentaldispersion curve from the theoretical model established. The SASW field test in thisstudy was utilized to collect data on flexible and rigid pavement. The wave velocityprofiles had shown that the SASW method is able to detect all the distinct layers ofpavement units. The dynamic elastic modulus of obtained were found to be useful inthe assessment of Indonesian pavement system.

Keywords : SASW, dynamic stiffness, flexible and rigid pavement system

ABSTRAK

Keperluan suatu evaluasi jalan yang akurat, murah, cepat dan tidak merusak menjadipenting pada sistem perkerasan jalan di Indonesia karena proses rehabilitasi danpengaturan jalan yang menjadi semakin sukar disebabkan oleh luasnya jaringan jalanyang ada dan adanya keterbatasan dana. Salah satu aspek penting dalam penilaiankualitas jalan di sistem perkerasan adalah kemampuan untuk mengukur kondisiperkerasan saat ini dan masa yang akan dating. Untuk menentukan kapasitas struktur

1 Jurusan T. Sipil FT. Universitas Muhammadiyah Yogyakarta Jl. Lingkar Selatan Yogyakarta 55183, Email: [email protected]

Sri Atmaja P. RosyidiKajian Metode Analisis Gelombang Seismik Permukaan (SASW)

MEDIA KOMUNIKASI TEKNIK SIPIL 225

jalan, diperlukan informasi yang tepat mengenai modulus dan ketebalan perkerasan.Tujuan makalah ini adalah untuk menunjukkan suatu metode spektrum analisisgelombang permukaan (SASW) yang berpotensi untuk menilai kekakuan dinamikperkerasan jalan. Metode SASW adalah suatu metode seismik lapangan yang tidakmerusak yang berasaskan fenomena dispersi gelombang Rayleigh pada media yangberlapis. Satu set sumber gelombang transien digunakan untuk memunculkan energigelombang Rayleigh yang merambat secara horisontal di permukaan perkerasan jalan.Melalui dua sensor akselerasi, gerak gelombang pada suatu wilayah frekuensi tertentudapat direkam. Perbedaan data fase gelombang dari spektrum tenaga silangselanjutnya dianalisis dan kurva dispersi kecepatan fase dan panjang gelombangdapat digambarkan. Suatu proses inversi seterusnya dilakukan untuk mendapatkanpenyesuaian kurva dispersi eksperimen terhadap kurva teori. Dalam kajian ini,metode SASW dilakukan pada perkerasan lentur dan kaku jalan. Profil kecepatangelombang menunjukkan bahwa metode SASW mampu mendeteksi secara baik setiaplapisan perkerasan yang ada. Modulus elastik dinamik yang berhasil diukur darimetode ini dapat berguna untuk penilaian sistem perkerasan di Indonesia.

Kata kunci : SASW, kekakuan dinamik, sistem perkerasan lentur dan kaku

PENDAHULUAN

Kebijakan pasca-konstruksi menjadilebih signifikan disebabkan bermulanyaberbagai kesulitan yang ditimbulkandalam kegiatan-kegiatan perawatan,rehabilitasi dan manajemen jaringanjalan yang sudah ada agar tetap dapatdigunakan secara baik. Saat ini, ketikajaringan jalan sudah semakin luas danmempertimbangkan faktor ekonomiserta biaya pemeliharaan jalan yangsemakin mahal, maka diperlukan suatusistem manajemen manajemen jalan(Road Management System, RMS) yangmampu mengevaluasi konstruksi secarabaik dari tahap penilaian hinggarehabilitasi, dengan tujuan supaya jalanmemiliki umur layanan yang lebih lama(Sjahdanulirwan, 2004). Ditambah lagi,bahwa kemampuan pemerintah dalamAPBN dari tahun ke tahun sangatterbatas, sehingga alokasi danaprogram pemeliharaan jalan tidak dapatmencukupi kebutuhan pemeliharaansehingga pembiayaan sektor jalanmelalui mekanisme anggaran sudahtidak dapat lagi memenuhi kebutuhan

riil sektor jalan dan konsekuensi back-log pemeliharaan jalan dari waktu kewaktu semakin membesar danmerupakan permasalahan yang seriusdalam melaksanakan kegiatanpemeliharaan jalan yang baik diIndonesia. Aspek-aspek tersebutmerupakan kenyataan yang tidak bisadihindari dan perlu dijadikan pendoronguntuk mencari upaya-upaya terobosanteknologi pemeliharaan jalan diIndonesia sehingga pembinaan jalandapat dilakukan secara efektif danefisien.

Tahapan yang paling penting dalamRMS adalah membentuk suatu sistemyang mampu mengukur kondisi jalansaat ini dan memprediksi depresiasikekuatannya di masa yang akandatang. Untuk mengetahui kapasitaskekuatan struktur suatu perkerasanjalan memerlukan pengukuran nilaistruktural yang diwujudkan dengan nilaimodulus elastisitas dan ketebalansetiap lapisannya secara akurat.Beberapa metode telah dikembangkanuntuk menilai kondisi struktur



perkerasan baik yang berupa pengujianmerusak (destructive testing, DT) danpengujian tanpa merusak (non-destructive testing, NDT). Salah satuteknik NDT yang prinsip pengujiannyaberdasarkan pemanfaatan gelombangpermukaan Rayleigh dikenal sebagaimetode Spectral Analysis of SurfaceWave (SASW). Metode ini merupakansalah satu pengujian yang berpotensiuntuk menentukan parameter kekakuandinamik jalan berupa kecepatangelombang geser dan ketebalan lapisanperkerasan. Dalam makalah ini disam-paikan diskripsi tentang kajian potensimetode analisis gelombang seismikpermukaan sebagai pengembanganteknik evaluasi perkerasan jalan lenturdan kaku pasca konstruksi di Indonesia.Makalah ini juga menyampaikan studikasus penggunaan metode SASW untukevaluasi kondisi struktur perkerasanlentur (flexible pavement) jalan di jalanpropinsi Prambanan – Pakem,Yogyakarta dan model perkerasan kaku(rigid pavement) jalan.

KARAKTERISTIK GELOMBANGPERMUKAAN

Dalam aplikasi bidang geofisik,pemanfaatan gelombang seismik telahmemberikan kontribusi yang besaruntuk keperluan investigasi permukaanbumi. Penggunaan gelombang seismik

yang merambat secara mekanis dalammedia dibedakan menjadi dua macamyaitu gelombang badan (gelombangPrimer/compression wave dan gelom-bang Sekunder/shear wave) dangelombang permukaan (gelombangRayleigh dan gelombang Love).Apabila suatu energi mekanik diberikandi atas permukaan suatu media, keduajenis gelombang akan menyebardengan besaran energi, bentukperpindahan partikel gelombang danarah perambatan yang berbeda(Gambar 1).

Gelombang permukaan Rayleighdengan 67% persentase energimekanik selanjutnya bergerak sepan-jang permukaan dan amplitudonyaakan berkurang secara cepat sesuaikedalaman perambatan. Pergerakangelombang Rayleigh berlaku secaramenyebar (dispersion) yang merupakansuatu fenomena natural dari fungsikecepatan terhadap panjang gelom-bang dan frekuensinya. Sifat penetrasigelombangnya pada suatu media jugadipengaruhi oleh panjang gelombangdan frekuensi. Gambar 2 menjelaskanbahwa panjang gelombang pendekdengan frekuensi tinggi hanyamerambat pada permukaan yangdangkal, sedangkan gelombang yanglebih panjang dengan frekuensi rendahdapat merambat lebih dalam.



Gambar 1. Penyebaran gelombang seismik (Richart et al., 1970)

Gambar 2. Sifat penetrasi partikel gelombang Rayleigh (Rosyidi et al., 2002)

Melalui konsep tersebut, Jones (1958)memulai aplikasi metode gelombangpermukaan Rayleigh dengan meng-gunakan vibrator harmoni yang stabilpada struktur tanah dan jalan raya.Nazarian dan Stokoe (1984) melengkapiproses analisis hasil SASW secara lebihefisien dan komprehensif untukdiaplikasikan dalam penentuan moduluselastisitas dan ketebalan profil tanahdan jalan raya. Penggunaan metodeSASW secara berkelanjutan telahdiaplikasikan sebagai pengujianevaluasi pada infrastruktur diantaranya

identifikasi konstruksi fondasi bangunan(Madshus & Westerdhal, 1990, Stokoeet al., 1994), pendeteksian profil tanah(Matthews et al., 1996), penilaianstruktur beton (Rix et al., 1990 danCho, 2002), pedeteksian lapisan padastruktur mortar semen (Cho et al.,2001), kontrol kepadatan konstruksitanah timbunan (Kim et al., 2001) danstruktur balas kereta api (Zagyapan &Fairfield, 2002). Selain itu, Gucunski(2000) secara numerik dan melaluibeberapa riset yang dilakukanmenunjukkan bahwa gelombang



permukaan sangat sensitif untukmendeteksi adanya anomali yangterletak di permukaan suatu media.Penggunaan metode SASW untukevaluasi jalan pasca konstruksi denganmengamati perolehan nilai kekakuanbahan jalan di Malaysia dan Indonesiatelah dimulai secara berkelanjutan olehRosyidi et al. (2002, 2003, 2004a,2004b, 2005); dan Rosyidi (2004).Hasil penelitian yang diperolehmenunjukkan bahwa pemakaian SASWdapat dikembangkan sebagai suatumetode pendeteksi kerusakan dinidalam sistem manajemen infrastrukturpasca-konstruksi.

METODE ANALISIS SPEKTRUMGELOMBANG PERMUKAAN UNTUKEVALUASI PERKERASAN JALAN

Metode analisis spektrum gelombangpermukaan atau metode SASWmerupakan evolusi teknologi dari teknikgelombang permukaan dalam keadaantetap (steady state surface wavetechnique) yang tidak memerlukanpengeboran jalan (boreholes) dan jugamerupakan metode pengujian lapangan(in-situ method) untuk mengukursecara detil profil kecepatan gelombanggeser (shear wave velocity profile) yangbekerja pada permukaan lapisan.Metode ini melibatkan tiga tahapanutama analisis (Nazarian & Stokoe,1984, Rosyidi, 2004), yaitua. Proses pengambilan data di

lapangan, menggunakanpenganalisis spektrum (spectrumanalyzer),

b. Pembuatan kurva dispersieksperimen kecepatan gelombangRayleigh melawan frekuensi ataupanjang gelombang,

c. Proses inversi kurva dispersieksperimen untuk mendapatkanprofil akhir.

Metodologi Pengukuran DataSeismik Lapangan

Dalam proses pengambilan datalapangan, metode ini melibatkanserangkaian sumber gelombangmekanik yang digunakan untukmembangkitkan gelombang sementara(transient) dengan berbagai wilayahnilai frekuensi yang berbeda. Peralatanyang digunakan untuk pengukuran dataseismik di lapangan diantaranya :

Sensor Pengukur Percepatan

Untuk merekam perambatangelombang yang dihasilkan, digunakandua (two-channel SASW) atau lebih(multi-channel SASW) penerimagelombang (receivers) atau sensor.Untuk pengukuran di perkerasan jalan,sensor gelombang jenis pengukurpercepatan (accelerometer) berkapa-sitas 20 kHz dapat digunakansebagaimana ditunjukkan dalamGambar 3. Sensor pengukur pergerakanpartikel gelombang yang diletakkansejajar dalam suatu garis imajiner lurusdi atas permukaan media (Gambar 4).Jarak antara sensor ditentukanberdasarkan proses sampling penetrasigelombang yang direncanakan(Gazetas, 1991; Stokoe et al., 1994).Beberapa set pengujian dengan jarakantara sensor yang berbeda disyaratkanuntuk mendeteksi kedalaman penca-paian gelombang dalam media. Jaraksensor pendek dengan sumberfrekuensi tinggi digunakan untukmendeteksi lapisan yang dangkalsedangkan jarak sensor yang panjangdan sumber gelombang berfrekuensi



(a). Sensor Pengukur Percepatan (b). Satu set sumber gelombang

(c). Unit akuisisi dan komputer sebagai penganalisis spektrum

rendah digunakan untuk mendapatkanlapisan yang lebih dalam. Jarak antarsensor yang direkomendasikan untukdigunakan dalam pengujian SASW diperkerasan jalan, meliputi 4 dan 8 cmuntuk mengesan sampel gelombangpada lapisan permukaan jalan (lapisanaspal maupun beton), 16 dan 32 cmuntuk lapisan fondasi jalan dan 64 serta100 cm untuk lapisan tanah dasar.

Sumber Pembangkit Gelombang

Sumber gelombang berfrekuensi tinggidigunakan untuk mendapatkan dataperambatan gelombang pada lapisanmedia yang keras (misalkan : lapisanbeton, aspal, fondasi batu keras danpadat, dll.) sedangkan sumbergelombang berfrekuensi rendah dipakaiuntuk memperoleh sampel data

gelombang pada lapisan media yanglebih lunak (misalkan : lapisan tanahdasar dipadatkan dan tanah asli denganberbagai jenis klasifikasi tanah).Gelombang seismik berfrekuensi tinggidapat diperoleh dari solenoid-operatedimpactor, palu ringan, hentamanmekanik bola baja (steel ball bearing)dan V-meters sedangkan pemberatyang dijatuhkan bebas (large dropweights), palu berat dan bulldozersdigunakan untuk membangkitkangelombang berfrekuensi rendah.Gambar 3. menunjukkan pembangkitgelombang berupa bola baja (ukuran 5hingga 15 gram) dan palu ringanhingga berat (2 hingga 4 kg) yangdigunakan untuk pengujian SASW diperkerasan lentur maupun kaku.

Gambar 3. Peralatan metode analisis spektrum gelombang permukaan



Penganalisis Spektrum :Unit Pemprosesan Data

Penganalisis Spektrum :Unit Akuisisi Data Digital

Sumber PembangkitGelombang Permukaan Sensor 1 Sensor 2

Radiasi TangkapanGelombang olehSensor

Gambar 4. Konfigurasi pengukuran SASW menggunakan 2 sensor

Penganalisis Spektrum

Dalam studi ini, untuk memprosesdigitalisasi data gelombang digunakansatu set peralatan penganalisisspektrum berupa satu unit akuisisiHarmonie buatan 01dB Perancis dansatu perangkat komputer untuk analisisspektrum data gelombang (Gambar 3.).Untuk memudahkan pemprosesanspektrum gelombang digunakanalgoritma FFT yang ada dalamperangkat lunak (software) dBFA 32.

Metodologi Analisis Kurva DispersiEksperimen Kecepatan GelombangRayleigh

Data analog gelombang dari keduasensor disalurkan melalui unit akuisisidata dalam digital kepada komputer

untuk dilakukan proses analisisspektrum. Analisis spektrum dilakukandalam domain frekuensi denganterlebih dahulu melakukan prosesanalisis fast fourier transform (FFT)terhadap data gelombang yangselanjutnya ditampilkan dalambeberapa bentuk spektrum diantaranyaspektrum tenaga auto (auto-power),fungsi perpindahan (transfer function)dan koheren (coherence). Spektrumtenaga auto, Gxx(f), didefinisikansebagai hasil perkalian spektrum linear,Sx(f) dan bilangan kompleksnya, S*

x(f),yaitu:

Gxx(f) = Sx(f) . S*x(f) ..................... (1)

disini Sx(f) adalah spektrum linier yangmerupakan bentuk sederhana dari



transformasi Fourier dari sinyal x(t)dalam domain waktu. Spektrum inimerupakan fungsi kompleks yang dapatdiwakili oleh bagian nyata dan imajineratau dengan nilai magnitudo dan fase.Fungsi perpindahan, H(f), merupakanperbandingan nilai output terhadapinput spektrum linier gelombang, yangdinyatakan dalam bentuk:

H (f) = fSfS

x

y ................................(2)

Fungsi perpindahan juga dikenalisebagai fungsi respon frekuensi. Jikakedua-dua spektrum linier output daninput melibatkan bilangan kompleks,maka persamaan di atas merupakanfungsi dari spektrum tenaga silang (Gyx)dan tenaga autonya (Gxx), yang dapatditulis sebagai:

H (f) = fGfG

xx

yx =

1

2

AA

{cos (2 -

1) + i sin (2 - 1)} ........................(3)

disini (2 - 1) adalah perbedaan nilaifase di antara dua komponengelombang yang ditentukan oleh sudutfase yang diperolehi dari kedua sensorgelombang. Selanjutnya data ini dapatdigunakan untuk menghitung kece-patan fase dalam pembuatan kurvapenyebaran lapangan dari pengukuranSASW (Joh 1996) dan sifat pelemahansuatu sistem linear (Gucunski 1991).Fungsi koheren didefinisikan sebagaiperbandingan tenaga output yangdisebabkan oleh input terhadap seluruhoutput yang diukur. Fungsi inidinyatakan sebagai:

γ2(f) = fGfG

fGfG

yyxx

yxyx

*

............... (4)

disini γ2(f) adalah nilai koheren yangdigunakan untuk mengenal pastikorelasi terbaik diantara sinyal inputdan output. Nilai koheren ditetapkansebagai nomor nyata diantara 0 – 1.Stokoe et al. (1994) menjelaskanbahwa nilai koheren 1 didefinisikansebagai nilai perbandingan tertinggipenggabungan diantara sinyalsedangkan nilai yang lebih rendahdaripada 1 menunjukkan penurunankualitas sinyal. Al Hunaidi (1992) jugamenyatakan bahwa nilai koheren yangboleh digunakan sebagai parameterpengukuran bagi sinyal yang baikbernilai lebih dari 0.98. Bagaimanapunjuga, nilai koheren yang rendah tidakhanya sepenuhnya disebabkan olehkualitas korelasi yang rendah diantarasinyal. Terdapat beberapa faktorlainnya seperti resolusi lebar jalurfrekuensi yang rendah dan sinyalmasukan yang berganda (Nazarian,1984) yang menyebabkan nilai koherenyang rendah.

Kurva dispersi kecepatan gelombangRayleigh diperoleh dari data fasegelombang dan frekuensi dari spektrumgelombang perpindahan (hasil perhi-ungan menggunakan Persamaan 4).Untuk menghitung kecepatan fasegelombang di perkerasan jalan dapatditerapkan algoritma sederhana darimetode perbedaan fase (phasedifferent method), sebagaimanadirekomendasikan dari Joh (1996) danRosyidi (2004), yang berdasarkankonsep waktu pergerakan gelombang.Waktu pergerakan gelombang (t) bolehdihitung daripada nilai beda fase ()



dari kedua sensor menggunakanpersamaan sebagai berikut:

= 2f0 t .....................................(5)

T =02 f

....................................(6)

Selanjutnya jika jarak antara duasensor (d) ditetapkan maka kecepatangelombang Rayleigh (VR) dan panjanggelombang () boleh ditentukandaripada :

VR =1td

= f0 . .............................(7)

= 2d

...................................(8)

Keseluruhan data dalam spektrumperpindahan dianalisis untuk men-dapatkan nilai kecepatan gelombangRayleigh dan panjang gelombang yangselanjutnya membentuk kurva dispersieksperimen individu untuk setiapspektrum jarak sensor tertentu. Kurvadispersi eksperimen gabungan kece-patan gelombang Rayleigh dibangundengan menggabungkan kurva dispersiindividu sehingga diperoleh sampelgelombang pada setiap lapisanperkerasan.

Metodologi Analisis ProfilKecepatan Gelombang Gesermelalui Inversi Kurva DispersiEksperimen

Langkah terakhir adalah inversi kurvadispersi eksperimen gabungan kece-patan gelombang Rayleigh diperolehdari tahap sebelumnya. Proses inversiterbagi dalam dua metode yaitu inversisederhana (simple-inversion) daninversi canggih (refined-inversion).

Inversi sederhana lebih sesuai untukobservasi profil tanah denganperbedaan kekakuan antar lapisan yangtidak ekstrim sedangkan untuk profilperkerasan lebih sesuai menggunakaninversi canggih. Konsep inversi canggihadalah membangun perhitungan ulang(backcalculation) dengan membuatsuatu profil mula yang mengasumsikanterlebih dahulu parameter-parameterkecepatan gelombang geser, beratvolume bahan, angka Poisson danangka peredaman (damping) setiaplapisan perkerasan yang ditinjau.Selanjutnya melalui algoritma 2 D atau3 D matrik kekakuan bahan (stiffnessmatrix) dan memasukkan dalamhubungan intergrasi Fourier sertaperhitungan fase diperoleh kurvadispersi teoritik (Kausel & Röesset,1981). Untuk mendapatkan profilkecepatan gelombang geser terhadapkedalaman struktur perkerasan jalanyang sebenarnya dilakukan prosesoptimisasi dengan memadukan(matching) antara kurva dispersi teoriterhadap eksperimen. Optimasiperpaduan antara kurva teori daneksperimen untuk perkerasan jalandapat menggunakan metode kemiripanmaksimum (likelihood method) yangkonsep dan detil penurunanpersamaannya sebagaimana dijelaskandalam Joh (1996) dan Rosyidi (2004).Kontrol perpaduan ini dilakukan dengannilai root-mean square (RMS), semakinkecil nilai RMS akan diperoleh bentukprofil analisis SASW yang lebihmendekati kondisi sebenarnya dilapangan.



Analisis Modulus ElastisitasDinamik Bahan

Berasaskan teori teknik perambatangelombang, modulus geser maksimumbahan pada regangan di bawah 0.0003% dapat ditentukan dari kecepatanperambatan gelombang geser sebagai(Kramer, 1996):

G = ρ VS2......................................(9)

disini, ρ adalah berat jenis, diperolehi

daripadag

tγ , dimana γt adalah berat

unit bahan dan g merupakan nilaigravitasi. Modulus elastik bahan puladapat dihitung menggunakan nilaikecepatan gelombang apabila nisbahPoisson (υ) bahan diketahui.Berasaskan teori elastik (Yoder &Witczak, 1975), modulus elastik (E)dapat ditentukan sebagai :

E = 2 G (1 + υ) = 2 ρ Vs2 (1 + υ)....................................................(10)

STUDI KASUS APLIKASIPENGUJIAN SASW

Pengujian pada Perkerasan LenturJalan

Studi kasus penerapan metode analisisspektrum gelombang permukaan(SASW) dilakukan pada ruas JalanPropinsi Prambanan-Pakem, DaerahIstimewa Yogyakarta. ambar 5menunjukkan kurva dispersi ekperimengabungan yang diperoleh dari satu setpengukuran di Jalan PropinsiPrambanan–Pakem. Dalam gambarditunjukkan bahwa kecepatangelombang Rayleigh terlihat menyebarsesuai dengan nilai kekakuan lapisan

perkerasan jalan. Untuk lapisanpermukaan aspal, kecepatan gelom-bang Rayleigh ditunjukkan dalamwilayah 780 – 1020 m/s, sedangkanuntuk lapisan fondasi jalan (base dansubbase course) dan lapisan tanahdasar masing-masing ditunjukkandalam nilai 300 hingga 700 m/s dan 90hingga 180 m/s. Dari kurva dispersieksperimen (Gambar 5), dilakukaninversi canggih dengan model matrikkekakuan 3 D dan metode optimasikemiripan maksimum (maximumlikelihood) sebagaimana direkomen-dasikan oleh Joh (1996) dan Rosyidi(2004) untuk analisis perkerasan jalan.Hasil inversi ditunjukkan dalam Gambar6.

Dari profil kecepatan gelombang geserdapat diperoleh nilai modulus elastisitasdinamik bahan dengan analisissederhana menggunakan Persamaan(9) dan (10). Hasil studi menunjukkanbahwa lapisan permukaan aspal padaperkerasan jalan studi terdiri dari 3lapisan susun dengan nilai kekakuanyang berbeda yang masing-masing nilaimodulus elastisitas dinamik bernilai3195 MPa, 4282 MPa dan 5720 MPa.Untuk lapisan fondasi, baik fondasi atasmaupun bawah diperoleh pada wilayah248 hingga 937 MPa, sedangkan nilaimodulus elastisitas lapisan tanah dasardiperoleh sebesar 61 hingga 94 MPayang dideteksi hingga kedalaman 2,4meter. Untuk pengukuran SASW padabeberapa station pengamatan di JalanPrambanan-Pakem, Yogyakarta, dapatdigambarkan profil struktur perkerasanjalan yang menunjukkan propertistruktur (modulus elastisitas dinamikrata-rata) sebagaimana ditunjukkanpada Gambar 7.



0

200

400

600

800

1000

1200

0.01 0.1 1 10

Panjang Gelombang (m)

Kec

epat

an G

elom

bang

R (m

/s)

D ata Lapis P ermukaan D ata Lapis F o ndasi D ata Lapis Subgrade

Gambar 5. Kurva dispersi gabungan eksperimen untuk Jalan Prambanan-Pakem

Gambar 6. Profil akhir kecepatan gelombang geser dan modulus elastisitas dinamikdari hasil inversi analisis SASW

10

100

1000

10000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Station Pengamatan Jalan Prambanan-Pakem, Yogyakarta

E r

ata-

rata

(MP

a)

E subgradeE base layerE asphaltic layer

Gambar 7. Profil modulus elastisitas dinamik rata-rata setiap lapisan penyusunperkerasan jalan di Jalan Prambanan-Pakem, Yogyakarta



0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

100 1000 10000

Kecepatan Gelombang Geser, m/s

Keda

lam

an, m

Model Slab BetonH = 20 cm

Lapisan Tanah Dasar

Ketebalan Slab Sebenar

Ketebalan Slab Hasil SASW

Pengujian pada Perkerasan KakuJalan

Studi kasus untuk perkerasan kakudilakukan pada model fisik skala 1 : 1.Perkerasan kaku disusun untuk K175dan K225. Salah satu hasil akhir profilinversi kecepatan gelombang gesermodel untuk ketebalan slab 20 cmdengan mutu beton K225 diberikandalam Gambar 8. Dari Gambar 8tersebut dapat ditunjukkan bahwa nilaikecepatan gelombang geser untuk slabbeton pada umur 10 hari antara 2.272hingga 2.400 m/s. Nilai kecepatan yangtinggi mengindikasikan sifat bahan yangkaku. Nilai tersebut bersesuaian dengannilai kewajaran kecepatan gelombanggeser untuk beton sebagaimanadirekomendasikan oleh Nazarian (1984)untuk beberapa mutu beton padastruktur jalan pada wilayah 2.000 –2.600 m/s. Ketebalan slab beton hasilpengukuran SASW (20,96cm)menunjukkan penyimpangan nilai yangrelatif kecil (Gambar 8) yaitu sebesar4,59 % terhadap tebal slab model fisik(20,04 cm). Hal ini menunjukkanbahwa kemampuan teknik SASWlainnya yang mampu mendeteksi

ketebalan perkerasan kaku dengantingkat selisih yang rendah.

Kecepatan fase (gelombang Rayleigh)dapat menjadi parameter dinamikpengukuran sifat pengerasan betonterhadap waktu perawatan. Dari hasilstudi yang dilakukan menunjukkanadanya trend kurva yang semakinmeningkat dari 3 hari ke 28 hari untukkedua mutu beton K175 dan K225,sebagaimana diberikan dalam Gambar10. Kondisi ini menjelaskan kemampuanparameter dinamik (kecepatan fase)hasil pengukuran metode SASWsebagai indikator pengukur perubahankekakuan beton secara lebih mudahdalam model perkerasan kaku. Gambar9 juga menunjukkan perubahankecepatan gelombang fase yangekstrim pada pengerasan beton 3hingga 14 hari, hal ini dindikasikanproses kimiawi laju pengerasan betonmasih berjalan intensif. Selanjutnyapada umur di atas 14 hari perubahannilai kecepatan fase menjadi relatifkecil. Indikasi ini menunjukkanperubahan kekakuan pada waktupengerasan beton mendekati umur 28hari cenderung relatif tetap dan menujupada grafik dengan kelandaian kecil.

Gambar 8. Profil Perkerasan Kaku Hasil Uji SASW Terhadap Model Fisik



Gambar 9. Pengamatan Nilai Kecepatan Fase Gelombang TerhadapPerubahan Pengerasan Beton Mutu K175 dan K225

KESIMPULAN DAN SARAN

Metode analisis spektrum gelombangpermukaan Rayleigh atau dikenalsebagai metode SASW merupakanalternatif teknologi yang dapatdikembangkan di Indonesia untukkontrol nilai kekakuan dalam termmodulus elastisitas dinamik bahanperkerasan lentur dan kaku jalan pasca-konstruksi di Indonesia. Metode inimerupakan pengujian lapangan (in-situ)yang tidak memerlukan sampel, tidakmerusak jalan dan dalam prosesanalisisnya tidak memerlukan waktulama dan biaya yang mahal. Dari studikasus yang dilakukan terindikasikanbahwa metode SASW mampumengukur modulus elastisitas dinamikbahan untuk setiap lapisan profilperkerasan jalan secara detil padasetiap kedalaman yang diobservasi baikuntuk perkerasan jenis lentur maupunkaku.

Pengembangan dan studi metode iniperlu dilakukan secara berkelanjutan

untuk mendapatkan karakteristik teknisdan mengeksporasi kemampuannya inibagi sistem manajemen jalan diIndonesia. Studi selanjutnya dapatdilakukan dengan melakukan kajianSASW pada berbagai jenis bahanperkerasan yang ada di Indonesiadengan variasi sifat mekanisnya. Padasisi lain, dapat pula mengembangkanmetode SASW pada sistem berjalan(mobile technology) sehingga akanlebih mempercepat waktu pengambilandata.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis memberikan apresiasi danpenghargaan diantaranya kepada PusatPenelitian dan PengembanganPrasarana Transportasi, DepartemenPekerjaan Umum khususnya kepadaDr.Sjahdanulirwan, Dr.Furqon danDr.Siegfried, dan Pimpinan ProyekPeningkatan Jalan Prambanan-Pakem,Sudaryoto, ST., yang telah membantupenulis untuk memulai aplikasi metode



seismik bagi evaluasi jalan di Indonesia.Penulis juga menyampaikan apresiasipenghargaan dan terima kasih kepadaProf.Dr.Mohd. Raihan Taha,Ass.Prof.Khairul Anuar Mohd. Nayan,Prof.Dr.Abdurrahim Syamsudin(Universiti Kebangsaan Malaysia,Malaysia), Prof.Dr.Nenad Gucunski(Rutgers University, USA) danProf.Dr.Sung Ho Joh (Chung AngUniversity, Korea) yang telahmembantu dalam diskusi sertapemahaman mendalam mengenaimetode SASW. Terakhir, penulismenyampaikan terima kasih kepadaFakultas Teknik, UniversitasMuhammadiyah Yogyakarta dan Facultyof Engineering, Universiti KebangsaanMalaysia, yang telah memberikansponsor untuk penelitian studi aplikasiSASW di Indonesia.

DAFTAR PUSTAKA

Al-Hunaidi, M.O. 1992. Difficulties withPhase Unwrapping in Spectral Analysisof Surface Waves NondestructiveTesting of Pavements. CanadianGeotechnical Journal 29, pp. 506-511.

Cho, Y.S. 2002. NDT Response ofspectral analysis of surface wavemethod to multi-layer thin high strengthconcrete structure, Ultrasonic 40, pp.227-230.

Cho, Y.S. & Lin, F-B, 2001, Spectralanalysis of surface wave response ofmulti-layer thin cement mortar slabstructure with finite element thickness,NDT&E International 34 (2001),Elsevier Science, pp.115-122

Gazetas, G. 1991. FoundationVibrations: Foundation Engineering

Handbook, 2nd Edition, Hsai-Yang FangEditor, pp.553-593.

Gucunski, N. 2000. FieldImplementation of Surface Waves forObstacle Detection (SWOD) Method,Proc.of 15th WCNDT, Roma 2000.

Heisey, J.S. 1982. Determination of InSitu Shear Wave Velocity from SpectralAnalysis of Surface Wave. Master ofScience Thesis. University of Texas atAustin, 300p.

Hvorslev, M.J., 1949. Subsurfaceexploration & sampling of soils for civilengineering purposes. Report on aResearch Project of the Committee onSampling and Testing Soil Mechanicsand Foundations Division. WaterwaysExperimental Station.

Jones, R.B. 1958. In-situ measurementof the dynamic properties of soil byvibration methods. Geotechnique 8 (1),pp.1-21.

Joh, S.H. 1996. Advances in datainterpretation technique for SpectralAnalysis-of-Surface-Waves (SASW)measurements. Ph.D. Dissertation, theUniversity of Texas at Austin, 240p.

Kramer, S.L. 1996. Geotechnicalearthquake engineering. New Jersey:Prentice-Hall, Inc. 653p.

Kim, D.S, Shin M.K & Park H.C., 2001,Evaluation of density in layercompaction using SASW method, SoilDynamic and Earthquake Engineering21 (2001), Elsevier Science, pp.39-46.

Madshus, C. & Westerdahl, H. 1990.Surface wave measurements forconstruction control and maintenanceplanning of roads and airfields. Proc.3rd. Int. Conf. On Bearing Capacity of



Roads and Airfields, July 3-5,Trondheim, Norway.

Matthews, M.C., Hope, V.S. & Clayton,R.I. 1996. The geotechnical value ofground stiffness determined usingseismic methods. Proc. 30th AnnualConf. of the Eng. Group of the Geol.Soc., University of Lige, Belgium.

Nazarian, S. 1984. In-situ determinationof elastic moduli of soil deposits andpavement systems by Spectral-Analysis-of-Surface-Wave Method. Ph.D.Dissertation, University of Texas atAustin, 452 p.

Nazarian, S. & Stokoe II, K. H. 1984.In-situ shear wave velocity fromspectral analysis of surface waves.Proc. 8th World Conf. On EarthquakeEngineering 3, pp 31-38.

Richart, Jr., F.E., Woods, R.D. & Hall,Jr., J.R. 1970. Vibrations of soil andfoundations. Ed. Ke-8. New Jersey:Prentice-Hall, Inc.

Rix, G.J., Bay, J.A. & Stokoe II, K.H.,1990. Assessing in situ stiffness ofcuring Portland cement concrete withseismic tests. Transportation ResearchBoard 1284, Washington, D.C.

Rosyidi, S.A. 2004. Evaluation of theDynamic Stiffness of Pavement LayerUsing SASW Method. Master of ScienceThesis. Universiti Kebangsaan Malaysia.

Rosyidi, S.A., Nayan, K.A.M., Taha,M.R. & Mustafa, M.M. 2002. Themeasurement of the dynamic propertiesof flexible pavement using Spectral-Analysis-of-Surface-Wave (SASW)Method. The Symposium of Inter-University Transportation StudiesForum. University of Indonesia. Jakarta.

Rosyidi, S.A., Taha, M.R. & Nayan,K.A.M. 2003. Determination the designinput parameter of dynamic elasticmodulus of road-pavement base layerusing wave propagation technique.Proseding Konferensi Nasional TeknikJalan ke-7 (KNTJ-7), Jakarta, 7 - 8Oktober 2003.

Rosyidi, S.A., Nayan, K.A.M. & Taha,M.R. 2004a. Measurement of subgradestiffness using the SASW method. Proc.of Malaysian Geotechnical Conferenceat Petalingjaya Kuala Lumpur, 14-16Maret 2004. The Institute of EngineerMalaysia.

Rosyidi, S.A. & Taha, M.R. 2004b.Measurement of Pavement Moduli usingSimple Surface Wave PropagationTechnique. Proseding Simposium ke-7Forum Studi Transportasi antarPerguruan Tinggi, Universitas KatolikParahyangan, 11 September 2004.

Rosyidi, S.A., Taha, M.R. & Nayan,K.A.M. 2005. Assessing In Situ DynamicStiffness of Pavement Layers withSimple Seismic Test. Proceeding ofInternational Seminar and Exhibition onRoad Constructions. Semarang, 26 May2005.pp.15-24.

Sjahdanulirwan, M. 2004. ArahKebijakan Pemerintah MengenaiPemeliharaan Jalan Di Indonesia.Makalah disampaikan Stadium GeneralPenandatanganan MoU antaraUniversitas Muhammadiyah Yogyakartadengan Puslitbang PrasaranaTransportasi, Balitbang PekerjaanUmum, Departemen Pekerjaan Umum,Yogyakarta, 20 Desember 2004

Stokoe, K.H. II, Wright, S.G., Bay, J.A.& Roesset, J.M., 1994. Characterizationof geotechnical sites by SASW method.



Geotechnical characterization of sites,R.D. Wood, ed., Oxford and IBHPublishing Co., New Delhi, India, pp.15-26.

Terzaghi, K. 1943. Theoretical soilmechanics. New York: John & WileySons.

William, O. 1981, Rayleigh wavevelocity measurement using broad bandfrequency sources, Miscellaneous Paper

EL-81-3, US Army Engineer WaterwaysExperiement Station, Vicksburg.

Yoder, E.J. & Witczak, M.W. 1975.Principle of pavement design, JohnWilley & Sons, New York.

Zagyapan, M. & Fairfield, C.A., 2002,Continuous surface wave and impactmethods of measuring the stiffness anddensity of railway ballast, NDT&EInternational 35 (2002), ElsevierScience, pp.75-81

Date post:	09-Dec-2016
Category:	Documents
Upload:	vuongdiep
View:	231 times
Download:	6 times

KAJIAN METODE ANALISIS GELOMBANG SEISMIK PERMUKAAN ...

Documents