Fondasi Jembatan Bentang Panjang

Desain fondasi jembatan bentang panjang perlu didahului dengan pengetahuan mengenai cara pelaksanaan dan ketersediaan peralatan dan skill untuk melaksanakan metoda pelaksanaan yang dipilih. Untuk  keperluan mendesain suatu jembatan cable stayed sebagai main bridge di Kalimantan timur, dengan bentang total 720 m dan bentang utama antara 2 pylon 400 m (sebagai persyaratan untuk lalu lintasnya kapal), penulis mempelajari fondasi dari beberapa jembatan bentang besar. Keterbatasan tinggi pylon karena dekat dengan airport menyebabkan perubahan bentang utama rencana jembatan  yang semula 1000m menjadi hanya 400m. Hal ini menyebabkan berkurangnya nilai aesthetica karena panjang jembatan utama tidak proporsional dengan total panjang jembatan yang mencapai 6000 m. Uraian berikut menjelaskan alternatif sistem fondasi yang ada dengan teknik pelaksanaannya. Pada tulisan ini juga diuraikan mengenai desain awal fondasi pada jembatan rencana.

A.  ALTERNATIF SISTEM FONDASI                                                                                       Secara umum, terdapat dua aternatif untuk fondasi jembatan bentang panjang dengan air yang dalam, yaitu:

A.1. Fondasi Caisson                                                                                                        Fondasi caisson terbuat dari beton atau baja precast diameter besar, yang difabrikasi didarat di suatu dry dock.  Setelah bentuk dasarnya selesai, selanjutnya ditarik keposisinya dengan beberapa tug boat, dan ditenggelamkan. Selanjutnya dilakukan pengisian bagian tengah caisson yang telah terlindung dari air, dengan concrete. Fondasi caisson ini biasanya hanya digunakan pada kedalaman air yang dalam, lebih dari 35 m.  Fondasi caisson dengan diameter besar ini antara lain dipakai pada jembatan Rion Anterion  (Greece, 2004), dimana jembatan utama mempunyai total bentang 2252 m, didukung oleh 4 buah pylon (bentang utama kurang lebih 560 m). Kedalaman air 65 m dengan tanah dasar yang lunak. Gbr.1 menyajikan tampak  jembatan utama.

Keempat pylon didukung oleh  precast Concrete Caisson  dengan diameter dasar  90 m, dan tinggi 65 m. Concrete caisson diletakkan diatas sea bed yang telah diperkuat oleh 2m diameter, 25 – 30 m panjang tiang pipa baja, yang dipancang dengan grid 7m x 7m. Lapisan gravel setebal  3m menutup bagian atas tiang pipa baja untuk menjamin tidak ada kontak antara concrete caisson dan tiang pipa baja, untuk mencegah shear failure pada pipa baja. Concrete caisson dicetak didarat, disuatu dry dock, untuk selanjutnya ditarik kelokasi dengan 8 buah tug boat.  Gbr.2 menyajikan irisan fondasi caisson, dan Gbr.3 menyajikan pembuatan fondasi caisson disuatu dry dock.

Jembatan bentang panjang lainnya yang memakai fondasi caisson adalah Akashi Kaikyo (Japan, 1998), jembatan gantung yang menghubungkan kota Kobe dan Iwayama, menyebrangi Selat Akashi. Jembatan ini terdiri atas 3 bentang,  960 m + 1991 m + 960 m. Kedua pylon berada pada lokasi dengan kedalaman air 45 m, sedangkan kedua anchor block berada pada daerah reklamasi yang dekat dengan eksisting pantai. Masing-masing pylon didukung oleh steel caisson yang di fabrikasi di suatu dry dock, ditarik kelokasinya dengan tug boat, ditenggelamkan, dan diisi dengan beton.

Karena kondisi sea bed yang lunak dan tidak dapat mendukung beban rencana, maka sebelum caisson ditenggelamkan, 15 m tanah teratas digali sehingga mencapai kedalaman 60m dibawah muka air.  Gbr. 4 menyajikan tampak jembatan., sedangkan Gbr. 5 menyajikan fondasi caisson yang ditarik  8 tug boat menuju rencana lokasinya.

Keselamatan jembatan gantung sangat tergantung pada kestabilan anchor blocknya. Karena dibangun pada tanah reklamasi yang relative lunak, kedua anchor block  didesain menahan gaya tarik dengan mengandalkan beratnya. Anchor block terdiri atas panel-panel DWall yang membentuk lingkaran sehingga pada waktu tanah didalam digali tidak memerlukan support (gaya tekan radial berubah menjadi gaya tangensial). Setelah tanah digali selanjutnya diisi dengan RCC (roller compacted concrete) agar bobotnya dapat menahan gaya tarik dari kabel.  Artificial Island perlu dibuat jika posisi anchor block jatuh dilaut. Disini kembali diperlukan gravity type anchor block.

A.2. Fondasi Bored Pile Dengan Permanent Casing                                             Sistem pelaksanaan fondasi ini pertama-tama adalah memancang steel casing pada lokasi lokasi rencana bored pile. Pemancangan dilakukan dari atas barge. Selanjutnya dipasang balok balok baja yang menjepit / menumpu pada steel casing sehingga membentuk grid balok balok baja dimana diatasnya diletakkan steel plate. Dari atas steel deck tersebut dilakukan pemboran hingga mencapai kedalaman bored pile yang diinginkan.

Selain untuk membantu sebagai alat kerja, steel casing ini juga berfungsi untuk menjamin kualitas beton dapat terjaga dengan baik. Selain itu panjang steel casing juga ditentukan berdasarkan kebutuhan akan nilai EI yang tinggi pada bagian atas dimana defleksi dan momen pada tiang besar.

Karena pemboran yang sangat dalam, maka tidak dapat digunakan alat bor yang biasa digunakan pada pembuatan bored pile dimana digunakan drilling bucket untuk memotong tanah dan mengangkatnya keatas. Berarti drilling bucket perlu dinaik turunkan kedalam lubang bor berkali kali.  Untuk pemboran yang sangat dalam, system pemboran seperti diuraikan diatas sangat tidak efisien. Karena itu digunakan system RCD (Reverse Circulation Drilling), dimana mata pemboran terus memotong tanah sampai kedalaman rencana bored pile, dan cuttings yang dihasilkan langsung dihisap naik keatas, ditampung disuatu bak penampungan. Air yang telah bersih dari cuttings dikembalikan kedalam lubang bor.  Gbr.-6 berikut menyajikan steel deck diatas mana pemboran dilakukan dan Gbr.-7 menyajikan mesin bor RCD beserta mata bor nya. Ilustrasi cara kerja RCD di sajikan pada Gbr.-8.

Jembatan yang menggunakan sistem fondasi ini adalah Sutong Bridge (China, 2008). Cable stayed bridge ini menyeberangi sungai Yangtze dengan kedalaman air 30 ~ 35 m. Bentang terpanjang 1088 m. Foundasi yang digunakan adalah bored pile 2.8 m / 2.5 m ( 2.8m diameter sepanjang casing dan 2.5 m dibawah casing), dengan panjang total 114 ~ 117 m.  pile cap setebal 13 m, 7m dicor dibawah air dan 6 m diatas air. Selain memberikan keuntungan karena bertambah pendeknya free cantilever, penurunan level pile cap ini juga mengundang masalah pengecoran dalam air.

Jembatan lainnya yang menggunakan sistem fondasi ini adalah jembatan Suramadu (Indonesia, 2009). Main bridge adalah cable stayed dengan bentang 192 m + 434 m + 192 m. Kedalaman air 25 m. Fondasi menggunakan bored pile diameter 2.7 m / 2.66 m (sepanjang casing diameter 2.7 m, dan dibawahnya 2.66 m, atau casing tebal 2 cm), dengan panjang total 105 ~ 111 m dan panjang steel casing 1/3 dari panjang total. Untuk menghindari kesulitan pelaksanaan, seluruh pile cap berada diatas air.

B. FONDASI RENCANA JEMBATAN 

B.1. Dimensi Awal Fondasi                                                                                         Jembatan utama adalah cable stayed dengan 2 pylon, 2 intermediate pier, dan 2 end pier, dimana bentang total 720 m ( 40m +120m + 400n + 120m + 40m). Kedalaman air pada lokasi pylon 29m. Gbr. 11 menyajikan jembatan utama dari rencana jembatan

Memperhatikan data-data bentang dan kedalaman air, jembatan ini kurang lebih setara dengan jembatan Suranadu. Selain Jembatan Suramadu, Jembatan Musi III yang sudah selesai didesain, tetapi belum dilaksanakan juga digunakan sebagai referensi. Jembatan Utama dari Jembatan Musi III ini juga merupakan Jembatan Cable Stayed dengan bentang 1000 m (50+200+500+200+50), dan bentang utama 500 m. Perbedaannya adalah kedalaman air pada lokasi pylon hanya 4 m. Memperhatikan referensi yang ada, sebagai perkiraan awal digunakan fondasi sbb:

Pylon:                                                                                                                                          Bored pile 2.5m / 2.46m dengan panjang total 105m (76m terbenam dalam tanah),  daya     dukung izin 2400 ton.

Intermediate Pier dan End Pier:                                                                                            Bored pile 2.0m / 1.96m  dengan panjang total 90m (61m terbenam dalam tanah), daya       dukung izin 1300 ton.

Selanjutnya jumlah tiang / piling layout ditentukan dengan mengikuti flow chart berikut. Perlu dicatat bahwa 16m tanah teratas sangat lunak dengan N SPT <= 1 (lihat Gbr.-12). Oleh karena itu diselidiki juga kemungkinan menempatkan pile cap didalam air ( 15m dari sea bed).

Tabel-1 berikut merangkumkan gaya-gaya max yang bekerja pada masing-masing pile group, baik pada pylon, intermediate pier maupun end pier. Hanya saja pada tahap ini diambil harga-harga max untuk berbagai Load Combination.  Pada saatnya nanti, masing-masing Load combination akan ditinjau. Kombinasi beban dari struktur atas dikelompokkan dalam Ultimate Limit State (ULS) dan Service Limit State (SLS); dalam tahap ini hanya ditinjau kelompok beban ULS.

Memperhatikan kelompok kombinasi beban ULS dan SLS, maka desain fondasi sebaiknya mengikuti ASSHTO LRFD, agar konsisten dengan struktur atas. Dalam desain fondasi memakai AASHTO LRFD misalnya, check kapasitas tiang memakai kombinasi beban dalam kelompok ULS, sedangkan check deformasi tiang memakai kombinasi beban dalam kelompok SLS.

Setelah mendapatkan jumlah tiang yang dibutuhkan untuk mendukung gaya-gaya yang ada, kemudian dilakukan penentuan piling layout. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa diperlukan 8 x 11 tiang bor untuk masing masing pylon, sedangkan untuk masing masing intermediate pier dan end pier diperlukan 4 x 8 tiang bor seperti sketsa pada Gbr-14 dan Gbr-15 berikut.

B.2. Check Kecukupan Dimensi Fondasi                                                                   Tabel-2 berikut merangkumkan hasil check reaksi tiang tekan dan tarik, lateral x dan y, momen x dan y, tegangan max, dan pergerakan group tiang arah vertikal, horizontal x dan y, untuk pylon, intermediate pier, maupun end pier. Dua kondisi ditinjau dalam analisa ini, yaitu pile cap diatas air dan pile cap didalam air. Karena gaya-gaya dari struktur atas diberikan pada level pile cap diatas air, maka untuk pile cap dibawah air ada penambahan momen sebesar gaya lateral x jarak perpindahan pile cap.

Dari Tabel-2 diatas terlihat bahwa baik reaksi tiang, maupun tegangan max yang timbul pada tiang, keseluruhannya memenuhi nilai yang diizinkan. Pergerakan pada pile cap merupakan input bagi perencana struktur atas agar struktur jembatan didesain untuk mengakomodasi pergerakan tersebut.

Analisa lainnya yang dilakukan adalah mengecheck kecukupan panjang casing dari defleksi tiang dan momen yang timbul. Gbr.-16 berikut menyajikan plotting defleksi tiang dan bidang momen sepanjang tiang, untuk pylon, end pier dan intermediate pier. Terlihat bahwa pada ujung bawah casing, defleksi = 0, dengan momen yang relatif kecil, sehingga panjang casing dianggap cukup untuk melindungi tiang bor. Perlu dicatat bahwa untuk bagian tiang bor dengan casing baja, digunakan EI ekivalen.

B.3. Perbandingan Hasil Analisa Pile Cap Diatas Air Dan Didalam Air       Untuk memperjelas perbandingan hasil analisa untuk pile cap diatas air dan didalam air, maka hasil dari Tabel-2 diatas dirangkumkan kembali pada Tabel-3 berikut, dimana perbedaan antara kedua hasil dinyatakan dalam persentase.

Tabel diatas menunjukkan bahwa penurunan level pile cap hingga didalam air berakibat sbb:   + Praktis tidak ada pengaruhnya pada reaksi  tekan dan reaksi lateral.                                   + Momen max di tiang bor turun 25%, yang akan berakibat pada pembesian tiang                     bor.                                                                                                                                                   + Stress pada tiang bor turun 12%.                                                                                                 + Lateral displacement turun 55%.

Keuntungan lainnya dari diturunkannya pile cap hingga didalam air adalah dapat diambil kembalinya casing dari posisi pile cap didalam air sampai permukaan air, setelah pengecoran tiang bor selesai.

Disamping keuntungan-keuntungan tersebut diatas, penurunan pile cap hingga dibawah air juga mengundang permasalahan, yaitu  sulitnya pengecoran pile cap didalam air. Menurut informasi, sampai sat ini kontraktor nasional masih belum mampu melakukan pengecoran beton didalam air.

B.4. Kesimpulan                                                                                                                            + Memperhatikan kedalaman air 29 m pada lokasi pylon dan bentang utama dari  jembatan utama sebesar 400 m, maka kurang lebih rencana jembatan setara dengan jembatan Suramadu. Kedalaman air di lokasi rencana jembatan lebih dalam dari jembatan Suramadu yang 25m, tetapi refrensi dari Sutong Bridge-China dengan kedalaman air yang lebih besar, memberikan informasi bahwa sistem fondasi  tiang bor dengan permanent casing dapat digunakan dengan aman pada rencana jembatan. Selain untuk menjamin mutu pengecoran beton, memperbesar EI pada bagian tinag bor dengan momen yang besar, permanent casing ini juga bermanfaat untuk penunjang working platform dimana pemboran dilakukan dengan sistem RCD. Untuk keperluan yang terakhir ini panjang casing seperti pada gambar-gambar diatas perlu diperpanjang beberapa meter hingga menumpu pada lapisan pasir padat

+ Fondasi jembatan utama yaitu 8 x 11 tiang bor dengan diameter 2.5/2.46 m dan panjang total sampai diatas permukaan air 105 m untuk pylon dan 4 x 8 tiang bor dengan diameter 2.00/196 m dan panjang total sampai diatas permukaan air 90 m untuk intermediate pier dan end pier, dapat digunakan mendukung rencana jembatan dengan aman, baik pile cap berada diatas air maupun didalam air. Jika hasil uji Wind Tunnel tidak merubah gaya-gaya struktur atas secara signifikan, maka dapat diharapkan adanya pengurangan jumlah tiang mengingat pada fase analisa ini, digunakan beban-beban max yang diambilkan dari beberapa load combination. Jadi beban-beban max tersebut sebenarnya tidak akan pernah terjadi. Prosedur yang benar adalah meninjau masing-masing Load Combination, dimana untuk suatu Load Combination suatu gaya max, tetapi gaya-gaya lainnya tidak max. Penggunaan AASHTO LRFD dalam perencanaan fondasi memberikan konsistensi dengan perencanaan struktur atas mengingat gaya-gaya daristruktur atas dikelompokkan dalam ULS dan SLS.

+ Jika masalah pengecoran beton dalam air sudah bisa diatasi, maka penurunan level pile cap hingga kurang lebih ditengah tengah kedalaman air memberikan keuntungan dengan berkurangnya panjang free cantilever.

–ooOOoo–