Trenching machines‐ There are two types of trenching machines: (1) Wheel‐type and (2) Ladder‐

Example VI.2 illustrates estimating the cost of earth excavation by hand. 

Example VI.2: 

A trench in a confined area in a refinery has to be excavated by hand.  The trench is 15 ft long, 3 ft wide  and 4 ft deep and the soil is sandy loam.  Calculate the cost of excavation.  Cost of labor is $15.56/hr. 

Solution:  

Quantity of work: 

 Volume of earth = (3 x 4 x 15)/27 = 6.7cy  Production rate: 

Using data from Table VI.1, Loosening earth = 6.7 x 2 hrs      = 13.4 hrs         Shoveling loose earth from trench = 6.7 x 1hr  = 6.7 hrs         Shoveling back to the trench = 6.7 x 0.5 hr        =3.4 hrs         Backfilling trench = 6.7 x 0.5 hr       = 3.4 hrs           Total labor hours       =  26.9 hrs  Cost: 

Total cost = 26.9 hrs x $15.56 = $418.56  Cost/cy = $418.56/6.7 = $62.47 

Cost/ft = $418.56/15 = $27.90 

VI.2. Excavating by machine – For larger jobs, the cost of excavation by machine is considerably less  than the cost by hand once the machine is transported to the job site.  The savings in excavating cost  must be sufficient to offset the cost of transporting the machine to the job and back to storage after the  job is completed.  Otherwise, hand labor is more economical. 

VI.2.1. Trenching machines‐ There are two types of trenching machines: (1) Wheel‐type and (2) Ladder‐

type.   

Wheel‐type machine is frequently used for water mains, gas lines, and oil pipe lines.  The wheel rotates  at the rear of the machine, which is mounted on crawler tracks.  A combination of teeth and buckets  attached to the wheel loosens and removes the earth from the trench as the machine advances.  The 

in. wide and depths up to 6 ft.  Table VI.4 provides data on this type of machines. 

      Table VI.4 Data on wheel‐type trenching machines 

Ladder‐type machine is used for deeper trenches such as those required for sewer pipes and other  utilities.  Inclined or vertical booms are mounted at the rear of the machine.  Cutter teeth and buckets  are attached to endless chains that travel along the boom.  The depth of cut is adjusted by raising or  lowering the boom.  By adding side cutters, the width of the trench can be increased.  This machine is  used to excavate trenches from 16 to 36 in. wide and depths up to 12 ft.  Table VI.5 provides data on  this type of machines. 

       Table VI.5 Data on ladder‐type trenching machines 

Example VI.3 illustrates earth excavation using a wheel‐type trenching machine. 

Example VI.3: 

Estimate the total cost and cost/linear foot for excavating 2,940 ft of trench in common earth using a  ladder‐type trenching machine.  The trench will be 30 in. wide and the average depth will be 7 ft.  The  machine will work for 45 min. in an hour.  A machine operator, a laborer and a foreman will be  employed on the job with a pickup truck.  The rate for trenching machine is $87.50/hr.  The machine  operator is paid at $21.67/hr, the laborer is paid at $25.56/hr and the foreman is paid at $25.00/hr.  The  rate for pickup truck is $12.00/hr.  In addition, transporting the machine to and from the job cost a lump  sum of $1,500.00    

Solution: 

From Table VI.5, the digging speed is found to vary between 25 and 50 ft/hr for a width of 30 in and  depth of 7 ft.  Use the average digging speed of 37.5 ft/hr.  

Time for digging trench = 2,940/37.5 = 78.4 hrs 

Adjusting for 45 min/hr, time required = 78.4 x (60/45) = 104.5 hrs  Cost: 

        Trenching  machine : 104.5 hrs @ $87.50/hr  = $9,143.75          Machine operator 104.5 hrs @ $21.67      =   2,264.50          Laborer 104.5 hrs @ $15.56       =   1,626.02          Foreman 104.5 hrs @ $25.00       =   2,612.50          Pickup truck 104.5 hrs @ $12.00       =   1,254.00          Transporting machine to and from job       =     1,500.00         Total  cost      =   $18,400.77   Cost/linear foot = $18,400.77/2,940      = $6.26   

VI.2.2 Drag line – Drag lines are used for excavating earth for drainage channels and building levees  where water is present.  It can operate on wet ground and can dig earth out of water‐logged pits  because they do not have go into pits or hole to excavate. They cannot excavate rock.  Frequently they  are used with a long boom to dispose of the material along the canal or near the pit.  This eliminates the  need for hauling units.  The size of the drag line is indicated by the size of the bucket expressed in cubic  yards.  Most drag lines can handle more than one size bucket depending on the length of the boom and  class and weight of the material excavated.  Greatest output can be achieved if the job is planned to  permit excavation at the optimum depth of cut.  Table VI.6 gives ideal output, in bank measure,          Table VI.6 Ideal output of draglines, bank measure, cy/hr 

on a 60‐min hour.  The upper figure is the optimum depth in feet and the lower number is the ideal  output in cubic yards.  Adjustments have to be made for outputs at other depths and angle of swing.  

Table VI.7 provides the adjustment factors.  

      Table VI.7 Adjustment factors for angle of swing and other than ideal depth of cut for        Drag lines 

Example VI.4 illustrates calculation of excavation cost using a dragline. 

Example VI.4:  

A drainage ditch 10 ft wide at the bottom, 36 ft wide at the top, 12 ft deep, and 15,100 ft long is to be  excavated using a dragline.  The soil is good common earth and the excavated earth can be deposited on  one or both sides of the ditch.  A 1.5cy dragline with an average angle of swing of 120⁰ will be used.  It  will require 2 days to set up and remove the dragline.  Two laborers will assist the operation which will  be supervised by a foreman.  The dragline will operate an average of 45 min/hr.  The following cost data  will apply:  dragline $87.69/hr., machine operator $21.67/hr., laborer $15.56/hr.  In addition, it will cost 

$2,500 to move the dragline to and from the job.  Estimate the total cost and cost/cy for excavating the  ditch. 

Solution:  

Quantity of material: 

Volume of earth = (10 + 36)/2 x 12 x 15,110 = 4,170,360cf = 4,170,360/27 = 154,458cy  Production rate: 

From Table VI.6, the ideal output = 190 cy/hr, bank measure, and the optimum depth of cut = 9.0 ft  Percent of optimum depth= 12/9 = 1.33 or 133% 

From Table VI.7, for 133% optimum depth and 120⁰ angle of swing, the depth‐swing   adjustment factor = 0.89 

For a 60‐min/hr operation, production rate = 0.89 x 190 = 169.1 cy/hr 

For a 45‐min/hr operation, production rate = 169.1 x (45/60) = 126.8 cy/hr bank measure. 

Time required for full excavation = 154,458/126.8 = 1,218 hrs  Cost: 

Dragline 1,218 hrs@ $87.69/hr      = $106,806.42  Operator 1,218 hrs @ $21.67/hr       =    26,394.06  Laborers 1,218 hrs x 2 @ $15.56/hr      =    37,904.16  Foreman 1,218 hrs @ $25.00/hr      =    30,450.00  Cost to set up and remove the dragline: 

Operator 16 hrs @ $21.67/hr      =        346.72  Laborers 16 hrs x 2 @ $15.56/hr       =        497.92  Cost to move the dragline to and from the job =      2,500.00         Total cost      =$204,999.28        Cost/cy = $204,999.28/154,458         = $1.33 

VI.2.3. Shovel – A shovel is a hydraulic excavator.  There are two kinds of shovels:  one having the  digging action in an upward direction and the other having the digging action in a downward direction.  

The former is called front shovel or simply shovel and the latter is called hoe or backhoe or trackhoe.  

Shovels are mostly used for pit excavation where the bucket load is obtained from the vertical face of  the excavation pit above and in front of the excavator.  These machines can handle all classes of earth  without loosening.  The output of a shovel depends upon the class of earth to be excavated, the height  of the cut, the ease with which hauling equipment can approach the shovel, the angle of swing from  digging to emptying the bucket, and the size of the bucket.  The size of the shovel is designated by the  size of the bucket, expressed in cubic yards, loose measure.  

 A bucket can be rated as struck capacity or heaped capacity.  The struck capacity is defined as the  volume in the bucket when it is filled even with, but not above, the sides.  The heaped capacity is  defined as the volume that a bucket will hold when the earth is piled above the sides.  The heaped  capacity will depend upon the depth of the earth above the sides and the base area of the bucket.  The  heaped slope usually is 1:1 or 2:1 above the sides of the bucket.  The equipment has a fill factor which is  a percentage to be used to multiply the heaped capacity to obtain the average payload of the bucket.  

Table VI.8 provides fill factors for shovels. 

      Table VI.8 Fill factors for front shovel buckets 

There are four elements in the production cycle of a shovel: load bucket, swing with load, dump load,  and return swing empty.  Adding times for these elements provides the cycle time for the shovel.  Table  VI.9 provides the range of element times for shovels with bucket sizes ranging from 3 to 5cy. 

      Table VI.9 Time for elements in a shovel production cycle 

The optimum height of cut for a shovel is that depth at which the bucket comes to the surface of the  ground with a full load without overcrowding or under crowding the bucket.  The optimum depth varies  with the class of soil and the size of the bucket and varies from 30 to 50 percent of the maximum digging  height.  The output has to be adjusted for the percentage of optimum heights of cut and angles of  swing.  Table VI.10 provides the adjustment factors. 

         Table VI.10 Adjustment factors for depth of cut and angle of swing for a shovel 

Example VI.5 illustrates the calculation of cost of excavation using a shovel. 

Example VI.5:   

A 4‐cy shovel will be used to excavate and haul 58,640cy, bank measure, of common earth with a swell  factor of 0.25.  The maximum digging height for the shovel is 34 ft and the average height of cut is 15 ft.  

The shovel swings 120⁰ to load the haul units.  The earth will be hauled 4 mi by 20cy, loose measure  trucks, at an average speed of 30 mph.  The expected time at the dump is 4 min.  The truck time waiting  at the shovel to move into loading position will average 3 min and the trucks will work 45 min in an hr.  

In addition to the shovel operator and truck drivers, 2 laborers and a foreman will be employed on the  job.  The rate of renting a shovel will be $135.00/hr and that for the truck is $55.00/hr.  The wage rates  for the workers will be as follows:  shovel operator @ $21.67/hr, truck driver @ $18.17/hr, laborer @ 

$15.56/hr, and foreman @ $25.00.  Calculate the total cost and cost/cy based on using sufficient trucks  to balance the production rate of the shovel.   

Solution: 

Volume of earth = 58,640cy, bank measure 

Volume of truck = 20/(1 + 0.25) = 16cy, bank measure  Cycle time of shovel: 

From Table VI.9 using average values, Load bucket        = 8 sec         Swing with load = 5 sec         Dump bucket     = 3 sec         Return swing      = 4 sec         Total time      = 20 sec  Cycles/min = 60/20 = 3 

Production rate of shovel: 

Bucket fill factor for common earth from Table VI.7 = 105% 

Average bucket payload = 4 x 105% = 4.2cy  Ideal production rate = 4.2 x 3 = 12.6cy/min  Optimum height of cut = 40% x 34 = 13.6 ft  Average height of cut = 15 ft 

Percent optimum height of cut = 15/13.6 = 1.1 or 110% 

Adjustment factor for 110% optimum depth of cut and 120⁰ angle of swing from Table VI.9 = 0.87  Probable output = 12.6 x 0.87 x 45 = 493 cy/hr, loose measure 

Swell factor for common earth is 25% 

Probable production rate = 493/(1 + 0.25) = 395 cy/hr, bank measure  Cycle time for trucks: 

Loading truck: 16/395      = 0.04 hr  Traveling: 8/30      = 0.26 hr  Dump time: 4/60      = 0.07 hr  Waiting to load: 3/60       = 0.05 hr          Total cycle time      = 0.42 hr/trip  Production rate of trucks: 

Number of trips/hr = 1/0.42 = 2.4 

Number of trips in 45 min = 2.4 x 45/60 = 1.8 trips/hr  Volume hauled/trip = 1.8 x 16 = 28.8 cy/hr, bank measure   

Time to complete the job: 

Use 14 trucks – there will be more trucks than required and hence the shovel production rate of 395  cy/hr will govern the time required = 58,640/395 =148.5 hrs 

Cost: 

Shovel 148.5 hrs @ $135.00/hr =      $20,047.50  Trucks 145.5 hrs x 14 x $55.00/hr =      112,035.00  Shovel operator 145.5 hrs @ $21.67/hr =       3,152.99  Truck drivers 145.5 hrs x 14 x $18.17/hr =      37,012.29  Laborers 145.5 hrs x 2 x $15.56/hr =      4,527.96  Foreman 145.5 hrs @ $25.00/hr =      3,637.50  Transporting the shovel to and from the job =     2,850.00          Total cost =      $183,263.24 

      Cost/cy = $183,263.24/58,640 = $3.13/cy bank measure   

VI.2.4. Backhoe –Backhoes are used below natural surface such as for trenches and basements requiring  precise control of depths.  It may be a wheel type or track type.  The latter is called trackhoe.  A backhoe  is superior to the machines already described due to its convenient loading into dump trucks, its greater  tooth pressure and its capacity for digging utility trenches requiring no shoring.  The production rate  depends upon bucket payload, average cycle time, and job efficiency.  The cycle time depends upon the  difficulty in loosening the soil, the angle of swing, the size of the truck the backhoe must load, and the  skill of the operator.  Table VI.11 provides representative cycle time for backhoes under average  conditions and Table VI.12 provides representative values of the bucket fill factor for backhoes. 

      Table VI.11 Representative cycle time for backhoes 

       Table VI.12 Representative values of bucket fill factors  

VII. FOUNDATIONS   

Foundations that support structures include footings, piles, and drilled shafts.  Footings are shallow  while piles and drilled shafts are deep. 

Footings are placed at shallow depths, usually less than 5 ft.  Footings may be isolated or continuous.  

Isolated footings are placed at one location to support a column.  Continuous footing provides support  for a wall of a building.  Construction of a footing includes excavating the soil to the required depth,  erecting formwork, setting reinforcing steel, placing concrete, removing formwork, and backfilling soil  above the footing to the surface of the ground.  A trench is excavated into the soil to construct a  continuous footing.  If the sides of the excavated soil are stable enough to support itself without caving  in, there is no need for providing formwork.  If the soil is unstable, it will be necessary to install a system  of shores, braces, and solid sheeting along the excavated walls to hold the earth in position.  The 

sheeting is typically constructed with 2‐,3‐ or 4‐in thick lumber, placed side by side or overlapping along  the whole length of the trench.  Wales consisting of 4 x 6‐in thick lumber can be placed in a horizontal  direction to provide additional support for the sheeting.  Depending upon the stability of the earth, it  may be necessary to install braces at suitable intervals.  Figure VII.1 shows a cross section of a trench  with sheeting, wales and braces. 

       Figure VII.1 Cross section of a trench with sheeting, wales and braces 

Example VII.1 illustrates the cost estimation for a trench with sheeting, wales and braces. 

Example VII.1  

Estimate the cost of installing and removing solid sheeting and bracing for a trench 100 ft long and 7 ft  deep.  The sheeting will be 2 x 12‐in lumber, 8 ft long.  Two horizontal rows of 4 x 6‐in wales will be  placed on each side of the trench for the full length of the trench.  Trench braces will be placed 4 ft apart  along each row of wales.  The sheeting will be driven one plank at a time by using an air compressor and  a pneumatic hammer.  Two laborers combined will install the sheeting  at 4/hr and wales and braces at  3/hr. 

 The following material cost will apply: sheeting  $0.73/bf, wales  $0.92/bf and braces $3.50 each.  The  following equipment cost will apply: air compressor $8.75/hr and air hammer $1.75/hr.  Labor costs are 

$21.67/hr for driving sheet piles and $18.17 for installing wales and braces.  

Solution:    

Quantity of materials: 

  Sheeting, using actual dimension of 2 x 12 lumber as 1.5 in x 11.25 in    Number of pieces for two sides= 100/(11.25/12) x 2 = 214 pieces. =     Quantity of sheeting = 214 x 2 x (12/12) x 8 = 3,424 bf  

  Wales: Number of pieces for one row = 100/8 12.5., use 13 pieces =     Quantity of lumber = 13 x 2 x 2 x 4 x (6/12) x 8 = 832 bf 

 Trench braces = (100/4) x 2= 50   

Time to perform the job: 

  2 laborers installing sheeting = 214/4 = 53.5 hrs 

  2 laborers installing wales and braces = (50 + 13)/3 = 21 hrs  Labor cost: 

  Laborers driving piles 53.5 hrs x 2 x $21.67 =       $2,318.69    Laborers installing wales and braces = 21hrs x 2 x $18.17 = $763.14         Total labor cost      = $3,081.83  Material cost: 

  Sheeting 3,424 bf @ $0.73 =  $2,499.52    Wales 832 bf @ $0.92 =       765.44    Braces 50 @ $3.50 =       175.00       Total material cost =       $3,439.96   

Equipment cost: 

   Air compressor 53.5 hrs x $8.75 =         $468.13    Air hammer, hose etc 53.5 hrs x $1.75 =  93.63         Total equipment cost =      $561.76  Summary of costs: 

    Labor   =         $3,081.83      Material =        3,439.96      Equipment =       561.76        Total cost = $7,083.55 

   Cost/linear foot of trench = $7,083.55/100 = $70.84     Cost/sf of sheeting = $7,083.55/(100 x 7 x 2) = $5.06  VII.1 Pile foundation – The following type of piles are in use: