Excavation in Indonesia: Wall Behavior Prediction

(translated into Bahasa from the original paper - https://www.deepexcavation.com/en/resources/case-studies/evaluation-of-an-excavation-jakarta-indonesia)

Executive Summary

Tulisan ini menjabarkan mengenai suatu kasus galian dalam di Indonesia dimana telah terjadi defleksi yang jauh lebih besar dibandingkan besaran defleksi yang dijinkan dalam desain. Tulisan ini dibuat berdasarkan paper “Back calculation of excessive deformation on deep excavation” [Ma’ruf dan Darjanto, 2017]. Kedua penulis telah melakukan back analysis dan rekalibrasi terhadap properti tanah berdasarkan defleksi yang terukur saat pekerjaan penggalian; dalam studi tersebut, metode elemen hingga dengan model Mohr-Coulomb telah digunakan untuk analisis. Studi ulang menggunakan DeepEX menunjukkan bahwa defleksi yang besar mungkin telah dapat diprediksi dengan menggunakan properti tanah asli dengan sedikit penyesuaian model, meski hanya menggunakan metode analisa kondisi batas (LEM) atau metode analisis non-linear (Winkler). Lebih lanjut, penggunaan metode elemen hingga dengan hardening soil model seharusnya dapat menghasilkan prediksi yang lebih baik lagi, khususnya bila dibandingkan dengan analisis biasa yang menggunakan model Mohr-Coulomb.

Introduction

Tahapan konstruksi dari basement meliputi ekskavasi sedalam 8m (free standing cantilever); kantilever ini disokong dengan berm sementara yang memiliki kemiringan 1V:1H dari elevasi penggalian hingga level ekskavasi final di 12.4m. Setelah itu, berm akan digantikan oleh penopang dari raker. Tabel 1 menampilkan properti tanah asli yang digunakan pada desain awal; reanalisis dari kami juga akan menggunakan data ini. Gambar 1 menampilkan ilustrasi dari rencana desain awal.

ORIGINAL PROJECT – MEASURED DISPLACEMENTS AND BENDING MOMENTS

Gambar di bawah menunjukkan informasi lokasi titik monitoring yang ada disekeliling area proyek, beserta nilai defleksinya selama proses pekerjaan penggalian. Seperti dapat dilihat disini, defleksi pada titik monitoring ditengah bentang dinding penahan mendekati nilai 330 mm, jauh melebihi nilai defleksi desain sebesar 120 mm.

EVALUATION WITH A FEM SOFTWARE (PLAXIS 2D FROM THE ORIGINAL PAPER)

Pada studi yang dilakukan oleh [Ma’ruf dan Darjanto, 2017], mereka menggunakan software berbasiskan metode elemen hingga (PLAXIS 2D) dan model tanah Mohr-Coulomb. Dalam paper tersebut, hasil analisis temporary condition (dengan raker) tidak ditampilkan. Hasil analisis menggunakan properti tanah yang dikalibrasi ulang menunjukkan defleksi lateral dinding sebesar 31 cm.

SIMULATION IN DEEPEX SOFTWARE – CONSTRUCTION STAGES

Model yang sama disimulasikan di DeepEX – Software untuk desain dinding penahan tanah; seluruh tahapan konstruksi dimodelkan dalam simulasi, termasuk raker. Dengan menggunakan DeepEX, seluruh tahapan ekskavasi dapat ditampilkan dalam grafis yang menarik; berbagai metode analisis serta variasi skenario pekerjaan ekskavasi juga dapat dianalisis secara cepat. Ketiga metode analisis yang digunakan dalam studi ini: (1) Metode analisis kondisi batas; (2) Metode analisis non-linear dengan pegas Winkler; dan (3) Analisis non linear dengan metode elemen hingga. Seluruh metode tersebut dan tahapan ekskavasinya dianalisis dalam satu file yang sama. Dengan pendekatan ini, maka kondisi yang paling kritis dalam model dapat segera diketahui tanpa harus mengecek hasil analisis/desain pada beberapa file yang berbeda.

SIMULATION IN DEEPEX SOFTWARE – WALL PROPERTIES

Sistem dinding penahan tanah pada studi ini terdiri dari soldier pile beton (diameter 800 mm dengan jarak as-to-as 1200 mm); tidak ada informasi mengenai rasio tulangan dan properti material yang digunakan. Dalam studi ini, kami mengasumsikan properti dinding seperti ditampilkan dalam tabel 2 dibawah ini. Gambar 5 menunjukkan potongan melintang dari dinding yang digunakan dalam software DeepEX.

SIMULATION IN DEEPEX SOFTWARE – SOIL PROPERTIES & STRATIGRAPHY

Dalam model yang dibuat, kami hanya menggunakan properti tanah asli yang dapat dilihat pada Tabel 1; properti tanah hasil back analysis tidak digunakan. Opsi ini kami ambil untuk menunjukkan bahwa meski hanya dengan menggunakan properti tanah asli, analisis menggunakan beberapa metode analisis yang berbeda mungkin telah dapat memprediksi adanya potensi defleksi besar pada dinding. Sedemikian sehingga, masalah defleksi besar yang terjadi pada fase konstruksi, mungkin seharusnya telah dapat diantisipasi pada fase desain awal.

DEEPEX ANALYSIS – PROJECT EVALUATION WITH ALL METHODS

Dengan menggunakan metode analisis kondisi batas (LEM), software DeepEX mengaplikasikan pendekatan konvensional untuk mengkalkulasi tekanan tanah lateral yang terjadi pada dinding (tekanan tanah aktif dan pasif, tekanan air, beban tambahan pada permukaan tanah, beban gempa). Tekanan tanah ini dikalkulasi untuk setiap tahapan konstruksi. Dengan metode ini, DeepEX akan menggunakan salah satu metode analisa dinding yang dipilih untuk menghitung diagram gaya dalam momen dan geser, reaksi sistem penopang, dan faktor keamanan stabilitas dinding, termasuk mengestimasi besarnya defleksi dinding.

Dengan menggunakan metode analisis non-linear (NL), software DeepEX mengaplikasikan pegas elastoplastik untuk mensimulasikan koneksi antara tanah dan dinding. Pegas ini juga digunakan untuk mensimulasikan koneksi antara dinding dengan sistem penopang. Metode ini mempertimbangkan efek tahapan konstruksi (staged construction). Pada kondisi inisial, pegas Winkler ini tidak aktif, namun seiring dengan proses konstruksi, maka pegas dapat menjadi aktif dan/atau non-aktif. Software akan mengkalkulasi efek pembebanan pada pegas dan dari situ akan menghitung respon dinding.

Dengan metode elemen hingga, maka seluruh komponen struktur dan elemen tanah akan diperhitungkan dalam simulasi. Tanah dimodelkan sebagai elemen kontinum dengan perilaku yang direpresentasikan dengan hukum konstitutif elastoplastik (Mohr-Coulomb, Hardening Soil, Hoek-Brown, dsb). Dalam hal ini, efek interaksi tanah-struktur akan dipertimbangkan; selain itu, kondisi tegangan dan regangan pada elemen tanah juga dapat dievaluasi.

Pilihan metode analisis dan tampilan antarmuka yang user-friendly pada software DeepEX akan sangat membantu user untuk mengecek hasil keluaran dari beberapa alternatif model yang berbeda. Pada bagian berikut dibawah ini, kami akan menampilkan hasil analisis beberapa alternatif tersebut beserta detail pengaturan yang digunakan.

DEEPEX ANALYSIS – LIMIT EQUILIBRIUM METHOD – NO EXTERNAL LOAD – NO WALL FRICTION

Dalam skenario ini kami menggunakan metode analisis kondisi batas (LEM) dengan detail pengaturan berikut: 

- Tekanan tanah: Aktif/pasif untuk fase ekskavasi tanpa penopang, 

- FHWA Apparent/Pasif untuk seluruh tahapan konstruksi yang menggunakan penopang. 

- Analisa dinding: Metode Blum. 

- Friksi tanah-dinding: 0° pada sisi aktif maupun pasif. 

-Tekanan air : Simplified flow. 

- Kemiringan tanah pada permukaan : 0°.

Hasil analisis dengan metode LEM (menggunakan detail pengaturan diatas), menghasilkan estimasi defleksi dinding sebesar 35 cm pada stage 1 (penggalian dengan dinding kantilever); selain itu, ada indikasi momen berlebih pada dinding. Hal ini mengindikasikan bahwa defleksi besar yang terjadi pada dinding mungkin telah dapat diprediksi, meski hanya dengan menggunakan metode konvensional (LEM). Faktor keamanan stabilitas pada dinding kantilever ini menunjukkan nilai kurang dari 1, jauh dibawah nilai faktor keamanan yang umumnya dipersyaratkan sebesar 1.5.

DEEPEX ANALYSIS – LIMIT EQUILIBRIUM METHOD – NO EXTERNAL LOAD – WALL FRICTION 33% OF SOIL φ

Dalam skenario ini kami ingin mengidentifikasi efek dari pengaplikasian koefisien gesek (δ) yang diasumsikan nilainya sebesar 33% dari koefisien gesek tanah. Metode analisis kondisi batas (LEM) juga kembali akan digunakan dengan detail pengaturan berikut : Tekanan tanah: Aktif/pasif untuk fase ekskavasi tanpa penopang, FHWA Apparent/Pasif untuk seluruh tahapan konstruksi yang menggunakan penopang. Analisa dinding: Metode Blum. Friksi tanah-dinding: 33% dari koefisien gesek tanah, pada sisi aktif maupun pasif. Tekanan air : Simplified flow. Kemiringan tanah pada permukaan : 0°.

Hasil analisis dengan metode LEM (menggunakan detail pengaturan diatas), menghasilkan estimasi defleksi dinding sebesar 12.7 cm pada stage 1 (penggalian dengan dinding kantilever). Faktor keamanan stabilitas pada dinding kantilever ini menunjukkan nilai FK = 1.34 < 1.5. Dalam hal ini kita dapat melihat efek peningkatan faktor keamanan dari adanya friksi antara dinding-tanah pada model.

DEEPEX ANALYSIS – LIMIT EQUILIBRIUM METHOD – WALL FRICTION 33% OF SOIL φ – INCLINED SOIL SURFACE

Dalam gambar dibawah ini, kita bisa lihat bahwa tanah dibagian kiri dari model (hulu) memiliki slope yang landai. Detail informasi dari slope ini tidak diberikan; tidak diketahui pula apakah hal ini telah dimasukkan dalam analisis desain awal. Efek dari adanya slope ini (bila ada), ini juga tidak dievaluasi dalam reanalisis yang dilakukan [Ma’ruf dan Darjanto, 2017]. Dalam skenario desain dibawah ini, kami mempertimbangkan adanya slope landai dengan kemiringan 5° untuk mengecek efek dari adanya timbunan tanah berlebih pada model. Metode analisis kondisi batas (LEM) juga kembali akan digunakan dengan detail pengaturan berikut : 

- Tekanan tanah: Aktif/pasif untuk fase ekskavasi tanpa penopang, 

- FHWA Apparent/Pasif untuk seluruh tahapan konstruksi yang menggunakan penopang. 

- Analisa dinding: Metode Blum. 

- Friksi tanah-dinding: 33% dari koefisien gesek tanah, pada sisi aktif maupun pasif. 

- Tekanan air : Simplified flow. 

- Kemiringan tanah pada permukaan : 5°.

Hasil analisis dengan metode LEM (menggunakan detail pengaturan diatas), menghasilkan estimasi defleksi dinding sebesar 22.2 cm pada stage 1 (penggalian dengan dinding kantilever). Hasil ini menggambarkan efek dari adanya beban tambahan pada model, yang mungkin dapat merepresentasikan kondisi permukaan tanah yang sebenarnya.

DEEPEX ANALYSIS – NON-LINEAR ANALYSIS – NO EXTERNAL LOAD – NO WALL FRICTION

Dalam skenario ini kami mengevaluasi respon model bila menggunakan metode analisis Non-Linear (pegas elastoplastik), dengan detail pengaturan berikut: 

- Model tanah (keseluruhan): Elastik-Plastik. 

- Friksi tanah-dinding: 0° pada sisi aktif maupun pasif. 

- Tekanan air : Simplified flow. 

- Kemiringan tanah pada permukaan : 0°.

Hasil analisis dengan metode NL (menggunakan detail pengaturan diatas), menghasilkan estimasi defleksi dinding sebesar 77.39 cm pada stage 1 (penggalian dengan dinding kantilever). Secara umum, hasil analisis NL dapat menghasilkan kurva defleksi yang realistis jika properti tanah yang digunakan juga realistis (mencerminkan kondisi sebenarnya). Defleksi yang besar disini memang sudah dapat diperkirakan bilamana kita menggunakan pendekatan ini tanpa mempertimbangkan friksi antara dinding-tanah. Aktualnya, friksi antara dinding-tanah ini ada. Selain itu, friksi ini selalu diperlukan pada metode ini (NL, FEM), karena ini akan sangat membantu konvergensi dari simulasi. Terlebih lagi, kurva defleksi yang dihasilkan juga akan lebih realistis.

DEEPEX ANALYSIS – NON-LINEAR ANALYSIS – NO EXTERNAL LOAD – WALL FRICTION 33% OF SOIL φ

Dalam skenario ini kami mengevaluasi respon model bila menggunakan metode analisis Non-Linear (pegas elastoplastik), dengan mempertimbangkan adanya friksi dinding-tanah, detail pengaturannya adalah sebagai berikut: 

- Model tanah (keseluruhan): Elastik-Plastik. 

- Friksi tanah-dinding: 33% dari koefisien gesek tanah, pada sisi aktif maupun pasif. 

- Tekanan air : Simplified flow. 

- Kemiringan tanah pada permukaan : 0°.

Hasil analisis dengan metode NL (menggunakan detail pengaturan diatas), menghasilkan estimasi defleksi dinding sebesar 14.1 cm pada stage 1 (penggalian dengan dinding kantilever). Nilai ini jauh lebih kecil dibandingkan kasus sebelumnya yang tidak mempertimbangkan adanya friksi dinding-tanah. Ini memberikan gambaran yang jelas mengenai efek friksi pada analisis.

DEEPEX ANALYSIS – NON-LINEAR ANALYSIS – WALL FRICTION 33% OF SOIL φ – INCLINED SOIL SURFACE

Dalam skenario ini kami mempertimbangkan efek dari adanya slope dengan kemiringan 5° untuk mengecek efek dari adanya timbunan tanah berlebih pada model NL (menggunakan pegas elastoplastik), detail pengaturannya adalah sebagai berikut:

- Model tanah (keseluruhan): Elastik-Plastik. 

- Friksi tanah-dinding: 33% dari koefisien gesek tanah, pada sisi aktif maupun pasif. 

- Tekanan air : Simplified flow. 

- Kemiringan tanah pada permukaan : 5°.

Hasil analisis dengan metode NL (menggunakan detail pengaturan diatas), menghasilkan estimasi defleksi dinding sebesar 32 cm pada stage 1 (penggalian dengan dinding kantilever); hasil ini sangat dekat dengan nilai bacaan defleksi dari sistem monitoring di area proyek. Hasil dari analisis non-linear (NL) ini menggambarkan efek beban tambahan pada galian dalam, yang mungkin dapat merepresentasikan kondisi permukaan tanah yang sebenarnya.

DEEPEX ANALYSIS – FINITE ELEMENTS (MOHR-COULOMB) – WALL FRICTION 33% OF SOIL φ – INCLINED SOIL SURFACE

Dalam skenario ini kami mempertimbangkan efek dari adanya koefisien gesek antara dinding-tanah dan slope dengan kemiringan 5°; kali ini kami akan menggunakan DeepFEM engine untuk melakukan analisis elemen hingga pada DeepEX. Pada model FEM ini kami akan menggunakan model elastoplastik (model Mohr-Coulomb) untuk memodelkan material tanah, detail pengaturannya adalah sebagai berikut: 

- Model tanah (keseluruhan): Elastik-Plastik. 

- Solver non-linear: Metode Krylov-Newton. 

- Friksi tanah-dinding: 33% dari koefisien gesek tanah, pada sisi aktif maupun pasif. 

- Tekanan air : Simplified flow. 

- Kemiringan tanah pada permukaan : 5°.

Hasil analisis dengan metode FEM (menggunakan detail pengaturan diatas), menghasilkan estimasi defleksi dinding sebesar 22.4 cm pada stage 1 (penggalian dengan dinding kantilever); hasil analisis ini mengindikasikan defleksi dinding yang cukup besar bila dibandingkan dengan evaluasi defleksi pada desain awal (120 mm).

DEEPEX ANALYSIS – FINITE ELEMENTS (SOIL HARDENING) – WALL FRICTION 55% OF SOIL φ – INCLINED SOIL SURFACE

Dalam skenario terakhir ini kami mempertimbangkan efek dari adanya koefisien gesek antara dinding-tanah dan slope dengan kemiringan 5°; menggunakan DeepFEM engine untuk melakukan analisis elemen hingga pada DeepEX. Pada model FEM ini kami akan menggunakan exponential soil hardening model untuk memodelkan material tanah. Metode ini dapat menghasilkan hasil defleksi yang lebih realistik, serta memberikan gambaran yang lebih baik mengenai kondisi tanah. Model tanah (keseluruhan): 

- Hyperbolic exponential – soil hardening. 

- Solver non-linear: Metode Krylov-Newton. 

- Friksi tanah-dinding: 55% dari koefisien gesek tanah, pada sisi aktif maupun pasif. 

- Tekanan air : Simplified flow. 

- Kemiringan tanah pada permukaan : 5°.

Hasil analisis dengan metode FEM (menggunakan detail pengaturan diatas), menghasilkan estimasi defleksi dinding sebesar 57 cm pada stage 1 (penggalian dengan dinding kantilever); hasil analisis ini mengindikasikan defleksi dinding yang jauh lebih besar dibandingkan dengan defleksi dinding pada desain awal (120 mm).

CONCLUSION

Studi kami terhadap kasus galian dalam ini mengindikasikan bahwa meski dengan menggunakan data properti tanah asli, designer mungkin seharusnya sudah dapat mengestimasi potensi defleksi dinding yang cukup besar. Pada kasus galian dengan dinding kantilever, variasi kecil pada tanah dibagian hulu, serta asumsi koefisien gesek antara dinding-tanah dapat memiliki pengaruh besar terhadap hasil akhir. Designer seharusnya dapat waspada terhadap kondisi ini, serta perlu menganalisa sensitivitas parameter tersebut terhadap hasil akhirnya. Desain yang sangat sensitif terhadap variasi parameter sebaiknya dapat dihindari sebisa mungkin. Terakhir, designer geoteknik seharusnya mungkin tidak hanya mengandalkan satu metode analisis saja (e.g, metode elemen hingga). Perlu dicatat, metode elemen hingga memang sangat baik, namun sebaiknya jangan menjadi pijakan awal saat melakukan analisis. Seperti didiskusikan dalam studi ini, dalam metode elemen hingga, pemilihan model tanah yang sesuai akan memiliki pengaruh yang besar pada hasil akhir (dalam hal ini defleksi dinding).