A. Waiting for is a tedious job!!!

Bentulll… menunggu adalah pekerjaan yang sangat membosankan! Karena saking lamanya progress pekerjaan civil & structure dalam konstruksi new steam power plant, mulai dari land clearing, survey, cut & fill, piling work & pile test, excavation work, foundation (footing & pedestal) work, back filling, steel structural work, stone masonry & retaining wall work, building & shelter work, road and drainage work, etc.. dan daripada menunggu kapan siyy dimulai mechanical and piping works dan yang lebih gak enak lagi daripada diomongin makan gaji buta, saya akhirnya melibatkan diri untuk membantu pengawasan (supervision) pekerjaan civil & structure, maklum berperan di dalam surveillance karena saya adalah sebagai pihak EPC owner/client yang mempekerjakan EPC contractor dengan semua sub-cont-nya di dalam construction of new steam power plant.

Tolong dicatat, sebagai owner/client…🙂

Dan yang paling menarik buat saya dari semua pekerjaan civil and structure adalah pekerjaan piling work and pile test. Sebenarnya ini bukanlah ilmu baru tapi buat saya yang awam dengan ilmu civil dan structure, sangatlah tertarik untuk mengetahuinya lebih lagi.

Pada proyek kali ini jenis pondasi tiang pancang (pile) yang digunakan adalah jenis spun pile atau nama kerennya pre-stressed concrete spun pile.

 01. Spun piles mobilization from Balikpapan to Sangatta sitePicture 01: Spun piles mobilization to project site

02. Stringing of spun piles at construction areaPicture 02: Spun piles are layed down closed to pile group location

 

B. Why should to use the pre-stressed concrete spun pile?

Ketika di project site, saya dengan terpaksa mulai rajin membaca buku-buku/literature-literature/brochure-brochure mengenai pekerjaan pemancangan (piling work), dan bukan hanya sekedar mengetahui ilmunya secara basic saja, kemudian dari situ saya dapat informasi bahwa sebenarnya ada berbagai jenis material tiang pancang seperti sbb:

  • Tiang pancang kayu → primitive pile, in usage of this pile is limited to length and diameter.
  • Tiang pancang baja → corrosive pile against soil and water condition
  • Tiang pancang komposit → combination of steel with concrete, combination of concrete with wood, etc. Joints is as the weakness point..
  • Tiang pancang pra-cetak → mini pile types (triangle, square, octagonal)
  • Tiang pancang pra-tekan → has a high bearing capacity (daya dukung) and minimize any damage during mobilization and installation

Untuk pemilihan tipe tiang pancang yang akan digunakan didasarkan atas:

  • Berapa besar beban struktur atas (bangunan atas) yang akan dipikul/ditanggung → related with SAFETY FACTOR.
  • Bagaimana kondisi tanah dimana struktur atas (bangunan atas) akan didirikan, dan keandalannya/ketahanannya di dalam tanah → related with RELIABILITY.
  • Bagaimana akses dan kondisi lahan saat pengiriman (mobilization) & pengerjaan (construction) nanti → related with CONSTRUCTIBILITY.
  • Berapa biaya pondasi dibandingkan dengan struktur atas (bangunan atas) → related with COST.

Dari soil investigation report (August 2010) by third party diperoleh bahwa dari kedalaman 0 m to -10 m soil strata consist of stiff silty clay, dari -10 m to -20 m is very stiff silty clay, dan dari -20 m to -30 m is hard silty clay, dan kemudian dari soil investigation report tersebut direkomendasikan bahwa foundation type adalah pile foundation dengan tipe pre-stressed concrete spun pile untuk semua heavy structures seperti steam turbine + generator, boiler, cooling tower, fly ash silo, bed ash silo, ESP, chimney, dll.

Recommendations from soil investigation report (August 2010):

Driven concrete spun pile is going to be used for deep foundation of heavy structures and settlements sensitive for this area. Pile sizes to be used is not yet decided but it can be 400 mm, 500 mm and 600 mm in diameter with 75 mm, 90 mm and 100 mm wall thickness respectively.

Use minimum pile driving equipment with hammer weight of 35 kN or more for driving the pile with pile weight of 25 to 65 kN (pile diameter 400 mm and 500 mm) and required bearing capacity of 1,000 to 1,750 kN.

Use minimum pile driving equipment with hammer weight of 45 kN or more for driving pile with pile weight of 35 to 85 kN (pile diameter of 600 mm) and required bearing capacity of 650 kN to 2,000 kN.

 

03. Soil investigation by third partyPicture 03: Soil investigation by third party

 

Nah, dengan menggunakan pile foundation dengan tipe pre-stressed concrete spun pile, ada keuntungan dan kerugian dalam konstruksi pile ini yaitu sebagai berikut:

Keuntungan:

  • Kualitas beton terjamin karena dibuat di pabrik yang sudah disertifikasi, dan kita bisa melakukan inspeksi (FAT) terhadap spun pile yang kita pesan.
  • Bisa mencapai daya dukung tanah yang paling keras
  • Selain daya dukung tanah dari ujung tiang juga daya dukung dari sekeliling selimut tiang.
  • Daya dukung akan sangat kuat karena penggunaan konfigurasi kelompok tiang pancang
  • Harga relative lebih murah dibanding pondasi sumuran

Kerugian:

  • Proses pemancangan menimbulkan getaran dan kebisingan, lebih cocok untuk konstruksi di remote area yang jauh dari keramaian penduduk.
  • Mobilisasi dan demobilisasi membutuhkan banyak trailer dan membutuhkan service crane dalam assembly (perakitan).
  • Untuk pemakaian dengan volume yang kecil tentu akan menimbulkan cost yang lebih mahal.

 

C. Bearing capacity

Ada 2 komponen daya dukung (bearing capacity) tanah yang dialihkan oleh pondasi tiang pancang yaitu daya dukung selimut sepanjang tiang dan daya dukung ujung tiang. Gesekan sepanjang selimut tiang terjadi karena perlawanan geseran antara selimut tiang terhadap tanah disekelilingnya. Sedangkan tahanan ujung terjadi karena desakan ujung tiang terhadap tanah disekitarnya.

 

04. Mekanisme pengalihan bebanPicture 04: The occurred loads during piling of spoon pile (by: Tomlinson, 2001)

 

Dari gambar diatas diperoleh persamaan untuk daya dukung ultimate tiang pancang yaitu sbb:

QU = QP + QS – WP

dimana:

QU = daya dukung ultimate

QP = daya dukung ujung tiang (point load)

QS = daya dukung selimut tiang (shear load)

WP = berat tiang pancang

Karena pada umumnya kontribusi berat tiang pancang (WP) sangatlah kecil maka komponen ini biasanya diabaikan, sehingga persamaannya menjadi:

QU = QP + QS

Sedangkan untuk memperoleh daya dukung ijin pondasi tiang pancang terhadap beban aksial (QA) yaitu sbb:

aa

atau

aaa

 

dimana:

SFS = safety factor untuk selimut tiang (shear factor)

SFP = safety factor untuk ujung tiang (point factor)

Untuk menentukan berapa besar nilai SF tergantung dari beberapa faktor yaitu sbb:

  • Jenis dan besar beban struktur atas (bangunan atas)
  • Kondisi tanah dimana struktur atas (bangunan atas) akan dibangun/didirikan
  • Tingkat kehandalan penyelidikan geoteknik (soil investigation)


D. Piles configuration

Daya dukung (bearing capacity) setiap tiang pancang adalah faktor terpenting dalam perencanaan pondasi tiang pancang. Dalam menentukan daya dukung tiang pancang, penting juga untuk memperhatikan jarak antar tiang pancang karena suatu plant (dalam hal ini steam power plant) umumnya memiliki keterbatasan terhadap luas lahan yang akan digunakan, sedangkan jarak tiang pancang yang terlalu dekat juga akan menimbulkan interakasi antar tiang pancang yang dapat mengurangi kapasitasnya.

Jarak antar tiang pancang sangat bervariasi, tapi kebanyakan peraturan civil mensyaratkan jarak optimal minimum adalah 2D dan jarak optimal maksimum adalah antara 2.5D ÷ 3D.

Rekomendasi dari hasil soil investigation disebutkan bahwa untuk axial group effects jarak antara tiang pancang adalah antara 2.5D ÷ 3D, sedangkan untuk lateral group effects adalah lebih kecil dari 4.5D, dengan masing-masing reduction factor setiap tiang pancang tidak lebih kecil dari 0.7.

Efisisensi kelompok tiang pancang (E) didefenisikan seperti berikut:

aaaa

 

Adapun efisiensi kelompok tiang pancang dipengaruhi oleh hal-hal berikut ini:

  • Jumlah tiang pancang, diameter, panjang dan jarak antar tiang pancang
  • Interaksi setiap tiang pancang dalam satu grup terhadap keadaan tanah
  • SOP pelaksanan konstruksi tiang pancang à seperti bagaimana urutan-urutan instalasi tiang pancang
  • Jangka waktu setelah pemacangan

 

05. Spun pile configuratiosPicture 05: Spun pile configurations at site (top view)

06. Spoon pile configurationPicture 06: Spun pile configurations (by: Tomlinson, 2001)

 

E. Spun pile driving equipment

Untuk pemancangan tiang pancang dengan spun pile type, EPC contractor menggunankan diesel hammer machine. Sistem kerja diesel hammer machine adalah dengan pemukulan tiang pancang spun pile dengan hammer secara kontinu hingga mencapai titik keras maksimum yang penurunannya tidak significant lagi.

Efek yang kemudian ditimbulkan oleh penggunaan diesel hammer machine adalah suara keras (noisy), getaran (vibration), dan polusi udara (pollution) pada daerah sekitarnya. Inilah salah satu penyebab cara pemancangan ini berdampak tehadap lingkungan sekitarmya.

Umumnya pile diving equipment menggunakan crane tipe crawler untuk mengatasi kemungkinan-kemungkinan kendala akan kondisi lapangan yang buruk saat konstruksi. Nah, untuk memobilisasi pile driving equipment (pile rig) ini ke lokasi kerja membutuhkan 5 trailer bahkan lebih, seperti untuk memobilisasi prime mover, wheeler, lattice boom, boom-leaders, compressor package, dll. Dan perakitannya bisa 3 sampai 5 hari tergantung situasi dan kondisi cuaca di lapangan.

Mobile service crane dengan SWL minimum 50 ton sangatlah dibutuhkan selama proses perakitan pile rig ini di lokasi kerja. Setelah selesai dirakit kemudian akan dilakukan final inspection baik terhadap semua kualitas sambungan dengan menggunakan DP/MPI methods oleh NDT Inspector (by third party), serta apakah sudah siap/layak pakai dan penggunaan color code akan dinspeksi oleh heavy equipment inspector dan juga owner HSE reps.

07. Pile rig assembling Picture 07: Pile rig assembly

08. Pile rig assemblingPicture 08: Pile rig assembly

Sesuai dengan rekomendasi dari soil investigation report maka untuk masing-masing diameter of spoon pile, dipilih piling hammer untuk masing-masing diameter yaitu sbb:

– Spoon pile Ø 400 mm                                   → 3.5 – 4 ton

– Spoon pile Ø 500 mm                                   → 4.5 – 5 ton

– Spoon pile Ø 600 mm                                   → 6.3 ton

 

F. Spun pile driving work sequences

Berikut adalah step-step pekerjaan untuk spun pile driving hingga kondisi final set:

  1. Survey each spun pile positions as per AFC drawings (ensure first that each spun pile materials already marked in every 0.5 m)
  2. Ensure pile rig (crawler crane type) & diesel hammer ready to be used and move it to the point position of spoon pile
  3. Lift the first spun pile (for bottom pile) and insert the spun pile head to hammer cap
  4. Put the spun pile into the pile position (as per survey based on AFC drawings)
  5. Check the alignment of spun pile from two perpendicular directions.
  6. If OK, commence spun pile driving work by lifting piston hammer.
  7. During spun pile driving work, the number of blows and depth of penetration should be recorded and verticality of pile should be controlled continuously.
  8. After driving work, ensure the bottom segment is 450 mm above ground, the top segment will be aligned vertically from both directions.
  9. Do spun pile welding joints as per the approved WPS/PQR (AWS D1.1) and as per approved manufacturer procedure.
  10. Spun pile’s welding joints shall be checked by NDT (dye penetrant method) and will be approved by owner inspector.
  11. Pile driving activity will be continued until achieve the design depth as per AFC drawing
  12. The final set should be checked before completion of the work
  13. Piles heave shall be checked after driving pile group finish
  14. Cut spun piles until to the required length for next step of foundation and clean the concrete piles
  15. Final inspection by Civil Inspector

 

09. Spun piles drivingPicture 09: Spun pile driving (step 6-7-8)

10. Weld jointPicture 10: Welding joint of spun piles (step 9-10)

11. Cut the pun pilesPicture 11: Cut spun piles to the required length (step 13-14)

G. Acceptance criteria

The pile driving acceptance criteria should be based on the following:

  1. Drive the pile to target level as defined by the nearest boring logs or pile test results
  2. If the pile comes to refusal above target level, continue driving until a blow count of 100 blows/250 mm penetration or final set of 25 mm/10 blows. The pile is then required to be driven for “final setting” in 2 times, without any reduction in the driving resistance. If the resistance is not maintained at 25 mm/10 blows it is judged that the hard layer is thin and the pile is liable to break through this layer. Therefore, the pile should be driven further to the target level.


H. Load Test

Sebelum fase konstruksi dimulai, sudah direncanakan di dalam desain bahwa beberapa tiang pancang dari berbagai lokasi pondasi heavy equipments akan dilakukan uji pembebanan. Pada umumnya jumlah pengujian tiang pancang adalah 1% dari jumlah tiang pancang.

Tujuan dari uji pembebanan adalah untuk memberikan konfirmasi actual dari asumsi-asumsi yang diambil sewaktu tahap perencanaan (desain) apakah sudah sesuai atau apakah perlu modifikasi desain lagi.

Ada 2 metode pengujian pondasi tiang pancang yang dilakukan:

  • Uji pembebanan static → vertical static load test
  • Uji pembenanan dinamik → PDA (pile dynamic analysis) test

Metode uji pembebanan statik adalah untuk mengetahui daya dukung tiang pancang disepanjang selimut dan ujungnya, serta mengetahui daya dukung ultimate (ultimate bearing capacity). Pada umumnya beban runtuh tidak dicapai pada saat pengujian.

Uji pembebanan ini sangatlah mahal dan membutuhkan waktu yang lumayan lama. Tapi karena uji pembebanan ini tidaklah sedikit dan juga sangatlah penting, maka harus dilakukan secara terencana dan bisa menjadi critical path dalam master plan suatu project. Untuk beban pengujian bisa sebesar 200% hingga 300% dari beban kerja, ini tergantung keperluan untuk verifikasi dan optimasi. Sedangkan rekomendasi dari hasil soil investigation adalah 400% dari beban kerja.

Biasanya pengujian dilakukan setelah 7 sampai 28 hari tiang pancang uji dipancang untuk memungkinkan tanah yang telah terganggu kembali ke keadaan awal. Sedangkan rekomendasi dari hasil soil investigation menyebutkan pengujian dilakukan minimum 21 hari setelah tiang pancang uji dipancang.

Berikut rekomendasi-rekomendasi dari hasil soil investigation untuk pengujian statis (vertical static load test):

The tests should follow ASTM D1143 and ASTM D3689 procedure. The test should be

carried out on minimum of 2 (two) of the first piles. This will enable an early evaluation

and make it possible to verify weather the pile system actually complies the contractor’s

specifications. The pile load testing program should consider the following:

  • The load shall be applied to the test pile by a hydraulic jack acting against a reaction beam, which is anchored by two or four reaction piles or loaded platform with concrete blocks.Reaction pile or counter loads and hydraulic jack each should have a capacity of minimum 4 times the pile design load.
  • Vertical movement of the test pile and reaction piles are measured using at least 3 dial gauges, each having a 50 mm travel and be accurate to 0.01 mm. The dial gauges should be supported independently from the test pile and reaction piles.
  • During test loading, read dial gages at 0, 1, 2, 5, 10, 15 and 30 minutes after each load increment, and 30 minutes intervals thereafter with max. 2 hours. Optical readings shall be taken on the reaction of anchor piles as well as the test pile before each load increment is changed. During 24 hours hold, readings may be taken every 3 hours after the first 2 hours.
  • Pile loading test shall be performed minimum 21 days after pile driving.

 

12. Pile load test using hydraulic jack acting against weighted boxPicture 12: Vertical static load test method (by ASTM D1143-1994)

13. Static load test preperationPicture 13: Vertical static load test preparation

14. First dayPicture 14: First day of vertical static load test

15. Second daysPicture 15: Second days of vertical static load test

Hasil dari vertical static load test, kemudian akan akan di interpretasikan untuk menentukan berapa besarnya beban/daya dukung ultimate (QU). Ada berbagai metode yang sering dipakai sebagai metode interpretasi untuk penngujian ini yaitu sbb:

  • Chin method
  • Davisson method
  • Mazurkiewicz method

Sama dengan metode uji pembebanan statik, metode uji pembebanan dinamik adalah untuk mengetahui daya dukung (bearing capacity) statik tiang pancang yang kemudian akan di-compare terhadap daya dukung rencana (design).

Prinsip kerja pengujian adalah sebagai berikut:

  • Prepared the top of the pile head, prior to testing, by grinding the concrete surface to a smooth and flat condition.
  • Drilled and plugged the concrete test pile in order to attach two strain transducers and two piezo-electric accelerometers to the pile shaft at a distance of 1.5 to 2.0 times the pile diameter below pile head.
  • The instrument then is connected to the PDA Collector computer by an insulated multi-wire cable. The PDA computer should be located some distance away from the instrumented test pile
  • Dynamic measurements then are obtained from the strain transducers and piezo-resistive accelerometers by striking the pile head on four separate occasions using a driving hammer as a drop weight. Each blow should be cushioned by a purpose made plywood packer placed directly on top of the smooth pile head.
  • Analog signal from transducers be conditioned, digitized, stored and processed by PDA. Selected output from PDA typically included values such as:
  • The measured force and calculated maximum stress
  • Transferred energy to the pile
  • Calculated ram stroke
  • Static pile capacity and others
  • The selected PDA outputs then is imposed as an input to the CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Program) analysis and trial values is assigned for all soil model parameters.

Sedangkan rekomendasi-rekomendasi dari hasil soil investigation untuk pengujian dinamik (PDA test) adalah sebagai berikut:

  • Detail procedures of PDA Test, apparatus to be applied, analysis, and reporting shall be in accordance with the requirement of ASTM D4945.
  • The PDA test and analysis should be minimum performed 4 points for this project.
  • Perform PDA immediately minimum 21 days after pile driving in two time for the same pile.
  • The hammer for pile dynamic analysis should be warmed up before re-drive begins by applying at least 20 blows to another pile. The maximum amount of penetration required during re-drive should be 152.4 mm (6 inches) or the maximum total hammer blows required will be 50, whichever occurs first.

 

16. PDA testPicture 16: PDA test method (by ASTM D4945-2000)

17. PDA test schematic and outputPicture 17: PDA test schematic and output

 

 

I. References:

  1. ASTM D1143-1994 (Standard test method for piles under static axial compressive load)
  2. ASTM D4945-2000 (Standard test method for high strain dynamic testing of piles)
  3. The geotechnical investigation report for 3 x 18 MW CFPP Project, Sangatta, East Kalimantan (August 2010)
  4. Pile Driving work Methodology of 3 x 18 MW CFPP Project, Sangatta, East Kalimantan (August 2011)
  5. Manual Handling of Pre-stressed Concrete spun pile of 3 x 18 MW CFPP Project, Sangatta, East Kalimantan (August 2011)
  6. Pile static load test work methodology of 3 x 18 MW CFPP Project, Sangatta, East Kalimantan (August 2011)
  7. PDA test work methodology of 3 x 18 MW CFPP Project, Sangatta, East Kalimantan (Dec 2011)
  8. Internet