土拱效应是岩土工程领域重要的现象，显著影响地层应力传递和变形传播规律，常见于隧道、桩承式路堤、挡土墙等工程[1-5]。基坑工程中，土体开挖会导致坑底地层应力释放并产生不均匀回弹变形，引起土拱效应[6]。
Meng等[7]基于现场实测发现，当基坑开挖深度达到一定值时下方既有隧道上浮量会急剧增大。该现象与坑底土拱效应有关[6]，隧道残余覆土厚度随上方基坑开挖的进行逐渐减小，当土拱松动区发展至隧道范围时，隧道顶部地层竖向应力快速下降且土体松动弱化。此外，为控制既有地下结构变形，上方基坑工程通常采用坑底地层加固、分区开挖等措施[8-9]。这些措施实质上限制了坑底土拱松动区扩展，进而达到了减小地层不均匀变形、降低应力释放的作用。然而，上述措施设计参数依赖经验，包括加固范围、分区开挖尺寸等，因而难以实现变形控制要求[10-11]。以隧道为例，据统计，超过64%的基坑上跨运营隧道工程出现了隧道上浮超限的现象[12]。因此，有必要关注坑底地层的应力转移和变形传播机制，明确坑底土拱效应边界条件、影响范围和演化规律。
实际基坑工程中，因机械土方开挖作业，坑底地层应力和变形测试极为困难，坑底土拱效应的相关研究鲜见报道。离心模型试验可构建均质地层并使用高精度传感器，获取规律性结论，是研究此类问题的重要手段[13-14]。Ng等[15]、Shi等[16]和陈仁朋等[17]在基坑离心模型试验中测试了坑底回弹，但隧道的存在会显著影响结果。刘炀镔等[18]基于离心试验讨论了围护墙插入深度对基坑稳定性的影响，但并未关注坑底土体的应力场和变形场。综上所述，坑底土拱效应的研究尚缺少必要的试验支撑。
本文开展了干砂地层基坑开挖坑底土拱效应离心模型试验和不同开挖深度和宽度的多工况数值模拟。试验和数值分析重点关注坑底竖向应力和回弹变形。本文研究确定了坑底土拱效应边界迹线，揭示了基坑开挖坑底土拱效应形成-演化机制，明确了不同参数的影响规律。研究成果可为预测基坑坑底地层响应和下方既有地下结构变形控制提供支撑。
本文开展了干砂地层基坑开挖土拱效应离心模型试验及多工况下坑底逆土拱效应数值分析，主要得到以下3点结论。
