Struktur tanah
Yang dimaksud dengan struktur tanah adalah susunan fase padat dalam massa tanah. Seperti diketahui, tanah terdiri dari partikel padat dan pori-pori yang terisi air, udara, atau uap air, umumnya sebagian udara dan sebagian air. Berdasarkan susunan partikel padat di dalam tanah ditentukan strukturnya. Struktur tanah tak terikat dan tanah terikat sangat berbeda satu sama lain.
Struktur tanah tak terikat
Struktur tanah lepas terbentuk di bawah pengaruh gravitasi. Partikel padat tanah ini lebih besar dan jatuh ke bawah, mengendap akibat gravitasi, sedangkan gaya tarik antarmolekul antarpartikel semacam itu tidak ada atau sangat kecil dan dikalahkan oleh gravitasi. Karena itu, pada tanah lepas partikel-partikel padat tersusun berdampingan, mengisi ruang kosong di antara partikel yang tersusun (gambar 1_a_). Jika partikel tanah lepas berbentuk kira-kira bulat dan berukuran sama, seperti yang dapat terjadi pada pasir dengan susunan seragam, maka strukturnya dapat menjadi paling rapat (gambar 1_b_) atau paling renggang (gambar 1_c_), tergantung pada susunan partikel padat di dalam tanah. Struktur paling rapat sesuai dengan kemungkinan pemadatan tanah lepas yang terbesar dan porositasnya adalah nmin=26%. Struktur paling renggang sesuai dengan pemadatan tanah lepas yang sekecil mungkin dan porositasnya adalah nmax=48%. Misalnya, pasir lepas dari gumuk pasir memiliki n=47%.
Gbr. 1 Struktur tanah tak terikat
Jika tanah lepas memiliki ukuran butir yang beragam, sehingga partikel yang lebih halus mengisi rongga di antara yang lebih kasar (gambar 2), porositas tanah jauh lebih kecil (n=20% dan kurang).
Gbr. 2. Struktur tanah lepas dengan berbagai ukuran butir
Struktur tanah terikat
Pada tanah kohesif, strukturnya berbeda daripada tanah tidak terikat. Pada tanah kohesif muncul gaya kohesi, yang lebih kuat daripada gaya gravitasi partikel-partikel kecil dan merekatkan partikel-partikel tersebut pada permukaan kontak. Karena itu partikel-partikel ini tidak jatuh berurutan ke bawah, melainkan tetap melekat satu pada yang lain dan satu di samping yang lain (gambar 3_a_), sehingga membentuk struktur seperti rantai-jala (gambar 3_b_), berserabut (gambar 3_c_), dan sebagainya, yang disebut struktur orde lebih tinggi. Struktur semacam ini memiliki porositas besar, yang dapat mencapai 60-80% dari massa total, yang tidak dapat terjadi pada tanah tidak terikat.
Gbr. 3. Struktur tanah terikat
Porositas dan koefisien porositas
Porositas tanah didefinisikan sebagai perbandingan volume pori terhadap volume total tanah (gambar 4).
Gbr. 4. Porositas dan koefisien porositas tanah
Jika kita tandai dengan
- Vp = volume pori dalam tanah
- Vm = volume partikel padat
- V = volume total tanah,
porositas tanah n menurut definisi adalah
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
yaitu dalam % dari total volume tanah
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Koefisien porositas tanah didefinisikan sebagai perbandingan volume pori terhadap volume partikel padat:
e = VP / Vm.
Dari rumus untuk porositas n diperoleh:
nVP + nVm = VP, sehingga Vm = VP(1-n) / n.
Dengan mengganti nilai ini dalam rumus untuk e kita peroleh
e = n / (1-n).
Dari persamaan ini kita memperoleh
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Koefisien porositas menunjukkan kerapatan tanah. Semakin besar koefisien e, semakin kecil kerapatan tanah, dan sebaliknya. Jika suatu tanah yang mudah mampat turun karena beban, besar penurunan Δ_h_ dapat ditentukan dengan bantuan koefisien porositas sebelum dan sesudah penurunan.
Marilah kita perhatikan lapisan tanah kompresibel dengan tebal h (gambar 5_a_). Jika lapisan ini dibebani, lapisan tersebut akan mengalami penurunan setinggi Δ_h_, sehingga tebalnya akibat beban akan berkurang menjadi h1. Dengan demikian
Δ_h_ = h – h1.
Karena penurunan tanah yang mudah mampat terjadi karena pori-pori, sebab partikel padat praktis tidak dapat dimampatkan, demikian pula air, jika pori-pori tanah diisi olehnya sebagian atau seluruhnya, maka penurunan ini dapat digambarkan secara skematis pada gbr. 5_b_.
Gbr. 5. Penurunan Δh lapisan tanah mampat setebal h di bawah beban
Jika kita menandai dengan h0 tinggi imajiner lapisan partikel padat tanpa pori, yang disebut tinggi tereduksi, maka kita dapat menyatakan penurunan Δ_h_ terhadap tinggi tereduksi h0 dengan hubungan:
Jika kita mengamati lapisan tanah dengan lebar dan panjang yang sama dengan satu, maka tinggi h, h1 dan h0 mewakili volume, sehingga
di mana e adalah koefisien porositas sebelum, e1 sesudah penurunan. Dari uraian di atas diperoleh penurunan
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Penurunan dapat dinyatakan terhadap tinggi lapisan h sebelum penurunan jika kita mengganti nilai tinggi tereduksi h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
karena n = VP / V = VP / h_,_ dari mana diperoleh VP = nh.
Maka diperoleh
Jenis-jenis tanah tertentu memiliki nilai rata-rata porositas n dan koefisien pori e sebagai berikut:
Kelembapan tanah
Jenis air dalam tanah
Air dalam tanah muncul dalam bentuk air di pori-pori di antara partikel padat, yang disebut air pori, kemudian sebagai air teradsorpsi pada partikel padat dan sebagai air konstitusional.
Air pori terdiri dari air bebas di antara partikel padat, yang bergerak menurut hukum Darcy, kemudian air gravitasi, yang bergerak karena pengaruh gravitasi dari atas ke bawah ke segala arah, tetapi gerakannya tidak berlangsung menurut hukum Darcy, air kapiler yang bergerak di bawah pengaruh gaya kapiler, dan air tegangan permukaan, yang tertahan oleh tegangan permukaan di sudut-sudut antara partikel padat tanah dan juga disebut air pori sudut. Seluruh air ini dapat sepenuhnya dihilangkan dengan mengeringkan tanah pada suhu 110oC.
Air teradsorpsi adalah air yang menyelubungi partikel padat, yang terikat padanya oleh gaya molekuler. Ini adalah apa yang disebut lapisan air, yang ketebalannya berkisar 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). Pengaruh air teradsorpsi pada partikel yang lebih kasar tidak berarti; namun, semakin halus partikelnya semakin besar pengaruhnya, karena luas permukaan total partikel bertambah dan dengan demikian perbandingan air teradsorpsi terhadap partikel padat dalam satuan volume tanah. Air ini hanya dapat dihilangkan sebagian dengan pengeringan pada 110oC.
Air konstitusional adalah air yang secara kimia menyatu dalam kristal mineral dari partikel padat tanah. Air ini jumlahnya sangat sedikit dan tidak dapat dihilangkan dengan mengeringkan tanah. Karena itu air ini dapat dianggap sebagai bagian integral dari partikel padat.
Kadar air dalam tanah
Menurut definisi, kadar air dalam tanah atau kadar air tanah adalah perbandingan berat air yang terkandung dalam tanah terhadap berat komponen padatnya. Menurut jumlah air dalam tanah dibedakan tiga keadaan: tanah yang sepenuhnya jenuh air, tanah yang sebagian jenuh air, dan tanah yang sepenuhnya kering.
Tanah jenuh air sepenuhnya
Jika porositas tanah dinyatakan dengan n, γs berat volume semua butiran, γw berat volume air, maka kadar air tanah jenuh wZ dapat dinyatakan dengan persamaan berikut
Tanah jenuh air sebagian
Jika kita nyatakan Ww sebagai berat air yang terkandung dalam tanah, dan Wd sebagai berat partikel padat, yaitu berat kering tanah, maka kadar air tanah w
w = Ww / Wd , yaitu dalam persentase berat kering tanah: w = 100 Ww / Wd.
Dalam kasus ini, kadar air tanah dapat dinyatakan dengan derajat kelembapan Sr yang merupakan perbandingan berat air yang sesungguhnya di dalam tanah terhadap berat air pada tanah yang sama apabila semua porinya terisi air, yaitu terhadap berat air pada tanah jenuh:
atau untuk _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Batas-batas nilai untuk derajat kelembapan adalah:
- untuk tanah yang benar-benar kering w = 0; Sr = 0
- untuk tanah jenuh penuh w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Gbr. 6. Sampel tanah sebagian jenuh air
Derajat kejenuhan (yang kadang juga disebut kejenuhan atau tingkat kelembapan) juga dinyatakan sebagai perbandingan volume pori yang terisi air terhadap total volume pori (gbr. 6):
Sr = V2 / V1
di mana V2 adalah volume pori yang terisi air, V1 volume total pori yang terisi air, udara, dan gas. Jika w adalah kadar air tanah dalam % dari berat kering tanah Wd, maka kita memperoleh
V2 * γW = w Wd, sehingga V2 = w Wd / γw.
Di sisi lain, kita memperoleh bahwa V1 = V – Vd, maka karena Vd * γs = Wd, maka
Vd = Wd / γs dan V1 = V – Wd / γs.
Maka, derajat kejenuhan tanah Sr akan
yaitu dalam persentase berat kering tanah
Tanah benar-benar kering
Dalam kasus ini w = 0. Semua air pori telah dihilangkan, sedangkan air teradsorpsi hanya dihilangkan sebagian, yaitu lapisan air masih ada, tetapi ketebalannya berkurang.