Deformasi tanah akibat pengaruh embun beku
Di bawah pengaruh embun beku, air bebas tanpa aliran membeku pada 0°C dan pada saat itu mengembang sebesar 9% dari volumenya. Namun air di dalam pipa kapiler sempit tidak membeku pada 0°C, melainkan pada temperatur yang lebih rendah, berkisar dari -1°C hingga -78°C. Temperatur pembekuan terakhir ini ditentukan oleh percobaan laboratorium di Amerika. Semakin sempit pipa kapiler, semakin rendah temperatur pembekuannya.
Dalam tanah terdapat pori-pori yang saling terhubung ke segala arah dan membentuk saluran kapiler. Pada pasir, pori-porinya besar dan membentuk saluran kapiler yang lebar, di mana air membeku pada 0°C atau pada suhu yang sedikit lebih rendah. Air membeku secara merata, sementara di dalam pori-pori terbentuk kristal es, yang peningkatan volumenya sebesar 9% tidak menimbulkan deformasi tanah yang berarti. Pada tanah berbutir halus, pori-porinya lebih kecil dan membentuk saluran kapiler sempit di mana air membeku pada suhu yang lebih rendah dari 0°C. Namun pada lapisan permukaan tanah selalu lebih gembur dengan pori-pori yang lebih besar, di mana air membeku pada 0°C dan membentuk kristal es. Kristal-kristal ini menarik air yang didinginkan dari pori-pori sempit dengan gaya besar, yang disebut gaya kristalisasi. Ketika air yang tertarik demikian bersentuhan dengan kristal es dan ikut membeku sambil menambah volume kristal es, terbentuklah lensa es, yang ketebalannya dapat sekitar 0,1 hingga 10 mm. Lensa es yang terbentuk menyebabkan deformasi tanah yang cukup besar selama pengaruh embun beku, yang dalam kondisi yang sangat tidak menguntungkan dapat mencapai 30 dan 50 cm.
Munculnya dan besarnya deformasi tanah akibat pengaruh embun beku terutama bergantung pada 3 faktor berikut:
-
Muka air tanah
-
Lama berlangsungnya embun beku.
Ad 1) Dari segi komposisi granulometrik, pengaruh embun beku paling besar terdapat pada tanah berbutir halus, yang pori-porinya cukup kecil untuk membentuk saluran kapiler sempit, dan pada saat yang sama memiliki permeabilitas yang cukup besar, yang memungkinkan sirkulasi air yang cepat selama pengaruh embun beku. Tanah semacam itu paling peka terhadap embun beku, baik dari segi kecepatan timbulnya maupun besarnya deformasi. Itu adalah tanah berdebu, yang sebagian besar terdiri atas butir berukuran 0,02-0,002 mm. Butir berukuran >0,02 mm memiliki tinggi kenaikan kapiler yang kecil, sedangkan butir berukuran < 0,002 mm memiliki kenaikan kapiler yang lambat, sehingga dalam kedua kasus selama berlangsungnya embun beku hanya dapat mencapai sedikit air di zona pengaruh embun beku. Jika tanah lempung mengandung lebih dari 25% partikel berukuran < 0,002 mm, permeabilitas tanah sangat kecil dan sirkulasi air di pori-pori begitu lambat sehingga air di dalam pori-pori membeku lebih dahulu sebelum lensa es dapat tertarik.
Ad 2) Selain syarat mengenai komposisi granulometrik tanah, masih harus dipenuhi satu syarat lagi agar terjadi deformasi tanah akibat embun beku. Yaitu harus ada kemungkinan suplai air ke zona pengaruh embun beku. Jika syarat ini tidak terpenuhi, yakni jika kapiler tanah tidak terhubung dengan air yang akan terus mengalir melaluinya selama pengaruh embun beku, maka tidak akan terjadi deformasi akibat embun beku, apa pun komposisi granulometrik tanah tersebut.
Semakin tinggi muka air tanah, semakin besar kemungkinan deformasi tanah akibat pengaruh beku. Jika muka air tanah berada pada kedalaman yang lebih besar daripada tinggi kenaikan kapiler air dari tanah tersebut, deformasi akibat pengaruh beku tidak berarti.
Ad 3) Jika periode waktu berlangsungnya embun beku terus-menerus lebih lama, maka deformasi akibat embun beku semakin besar, karena terbentuknya lensa es yang lebih besar dan lebih banyak. Embun beku yang kuat dan singkat menyebabkan deformasi yang lebih kecil, karena pada kasus itu terjadi pembekuan air di pori-pori secara tiba-tiba dan terputusnya aliran kapiler air. Sebaliknya, embun beku sedang dan berkepanjangan menyebabkan deformasi yang lebih besar karena pembentukan lensa es berlangsung tanpa hambatan.
Efek penghilangan bekuan
Pada saat pencairan, mula-mula lensa-lensa es di bagian atas tanah permukaan mencair, sedangkan tepat di bawahnya tetap berada lapisan yang membeku dan karena itu juga kedap air. Karena lensa es yang mencair menghasilkan sejumlah besar air, yang tidak dapat meresap melalui lapisan bawah yang membeku, jumlah air yang meningkat dalam lapisan permukaan ini menjenuhkan tanah dan mengubahnya menjadi massa cair yang tidak memiliki kekuatan sama sekali, melainkan terdorong ke samping di bawah tekanan. Deformasi tanah akibat pengaruh pencairan dapat cukup besar dan dalam kasus tertentu berbahaya. Deformasi ini sering terjadi pada galian di jalur kereta api dan jalan, ketika pada musim semi terjadi pergeseran sebagian lereng akibat tanah menjadi jenuh oleh air dari lensa-lensa es yang mencair, serta pada jalan-jalan yang perkerasaannya terdeformasi oleh lalu lintas di atas tanah yang kehilangan daya dukung akibat kejenuhan air.
Kriteria untuk menilai pengaruh embun beku terhadap tanah
Melalui penelitian pengaruh embun beku pada berbagai jenis tanah, disimpulkan bahwa dalam hal perilaku terhadap embun beku perlu dibedakan dua jenis tanah: aman dan berbahaya terhadap embun beku.
Tanah yang aman terhadap embun beku adalah tanah yang tidak membentuk lensa es, betapa pun lamanya periode pembekuan. Pada jenis tanah ini hanya terjadi pembekuan air di dalam pori-porinya dan pembentukan kristal es, dengan deformasi yang kecil saat terkena embun beku. Ke dalam kelompok ini termasuk kerikil, pasir, dan tanah sejenis.
Tanah yang peka terhadap embun beku adalah tanah yang membentuk lensa es, yang dapat menyebabkan deformasi yang lebih besar. Air yang terakumulasi di lapisan permukaan dalam bentuk lensa es selama pengaruh embun beku juga menimbulkan efek pencairan. Kelompok ini mencakup sejumlah tanah lanau-lempung dan terutama tanah lanau.
Ada beberapa kriteria untuk menilai ketahanan tanah terhadap embun beku, di antaranya yang paling terkenal adalah kriteria Arthur Casagrande dan Rukli, yang akan kami uraikan di sini.
Kriteria A. Casagrande
Kriteria ini didasarkan pada komposisi granulometrik tanah dan berbunyi:
a) Pada tanah dengan susunan seragam, yang tingkat ketidakseragamannya U < 5, tanah tersebut rawan terhadap embun beku jika mengandung lebih dari 10% butir berukuran di bawah 0,02 mm.
b) Pada tanah dengan susunan tidak merata, yang derajat ketidakteraturannya U > 15, tanah berbahaya terhadap embun beku jika mengandung lebih dari 3% butir dengan ukuran di bawah 0,02 mm.
Meskipun kriteria ini telah lama diterapkan dan selalu memberikan hasil yang andal, kekurangannya adalah bahwa kriteria ini hanya didasarkan pada gradasi butiran tanah dan tidak memperhitungkan faktor lain yang memengaruhi kerja embun beku di dalam tanah. Karena itu, kini dianggap bahwa kriteria ini terlalu ketat dan tidak ekonomis.
Kriteria Rukliev
Menurut metode ini, tanah dibagi menjadi dua fraksi berdasarkan kekasaran partikel padat, yaitu fraksi berbutir kasar, butiran berdiameter d > 2 mm dan fraksi berbutir halus, butiran berdiameter d < 2 mm. Untuk menilai ketahanan tanah terhadap embun beku, ditetapkan ketergantungan jumlah fraksi berbutir halus terhadap jumlah fraksi berbutir kasar, dan ketergantungan ini diberikan oleh batas bawah dan batas atas (gbr. 1).
Batas bawah merupakan persentase maksimum yang diizinkan dari partikel padat berdiameter d < 0,02 mm dari berat kering urugan, yaitu fraksi 0-2 mm, di mana secara praktis tidak timbul kerusakan akibat embun beku dalam kondisi yang tidak menguntungkan, seperti muka air tanah yang tinggi, kondisi iklim yang buruk (embun beku yang berlangsung lama), dan kadar air alami tanah yang besar.
Batas atas merupakan persentase maksimum yang diizinkan dari partikel d < 0,02 mm terhadap berat kering fraksi berbutir halus, di mana secara praktis tidak terjadi kerusakan akibat embun beku dalam kondisi yang menguntungkan, seperti muka air tanah yang rendah, kondisi iklim yang menguntungkan (embun beku jangka pendek), dan kadar air alami tanah yang kecil.
Gbr. 1 Batas bawah dan batas atas untuk penilaian bahaya tanah terhadap embun beku menurut kriteria Ruklie
Perlindungan terhadap pengaruh embun beku di dalam tanah
Kedalaman pengaruh pembekuan di dalam tanah bergantung pada kondisi iklim daerah tersebut. Di negara kita kedalamannya umumnya 0,8 sampai 1,0 m di bawah permukaan tanah. Dengan demikian, konstruksi yang didirikan pada kedalaman yang sama dengan atau lebih besar dari 1,0 m tidak akan terkena pengaruh pembekuan.
Konstruksi dengan fondasi dangkal seperti perkerasan jalan, terpapar pengaruh embun beku, yang dapat menimbulkan deformasi dan kerusakan yang lebih besar pada perkerasan, baik saat pembekuan maupun saat pencairan. Oleh karena itu, dalam pembuatan perkerasan jalan dan landasan pacu di bandara, tanah perlu diuji terhadap pengaruh embun beku dan, apabila tanah dasar berisiko terhadap embun beku, harus diambil langkah-langkah perlindungan. Pada perkerasan jalan dan bandara, tindakan paling efektif adalah membuat lapisan penyangga, yang ketebalannya ditentukan sedemikian rupa sehingga total tebal perkerasan dan lapisan penyangga menjadi 0,80 m untuk lalu lintas berat hingga 0,60 m untuk lalu lintas ringan. Biasanya, ketebalan lapisan penyangga 0,30 m di bawah perkerasan sudah merupakan perlindungan yang cukup terhadap pengaruh embun beku.
Bahan untuk membuat lapisan alas biasanya pasir atau kerikil berpasir, yang harus memenuhi syarat-syarat berikut:
Indeks plastisitas IP < 5
Kadar fraksi d < 0,02 mm lebih kecil dari 3%
Derajat ketidakseragaman U > 7.
Bagian atas lapisan bantalan dengan tebal 20 cm tidak boleh berupa pasir seragam berbutir halus karena pemadatan yang tidak memadai dan daya dukung yang terbatas. Pada bagian ini, lapisan bantalan harus berupa kerikil berpasir dengan 30-70% butir berukuran 2-30 mm. Butir yang lebih besar dari 30 mm tidak disarankan.
Dinding pagar yang fondasinya dangkal juga terkena pengaruh embun beku di tanah, sehingga condong yang dari waktu ke waktu dengan pengaruh embun beku berulang dapat menyebabkan terguling dan runtuhnya. Karena itu, dinding-dinding ini harus difondasikan hingga kedalaman 1,0 m, jika tanah berbahaya terhadap embun beku.