11 / 2025-03-24 09:36:09

季节性冻土区路基冻融病害机理与预测模型研究

季节性冻土路基；室内模型试验；冻融特性；影响因素；变形预测模型

季节性冻土地区，冻融循环引发的路基冻胀、融沉及翻浆等灾害严重威胁道路工程的安全性与耐久性。本研究通过多因素耦合作用解析与细粒含量优化调控双重视角，揭示季节性冻土区路基冻融变形机制并构建高精度预测模型。研究成果可为寒区路基填料选型、施工参数优化及病害预警提供理论依据与技术支撑。

研究内容1：多因素耦合作用下路基冻融特性及变形预测模型构建

（1）基于正交试验的冻害主控因素识别

通过四因素三水平正交试验，结合室内模型试验监测数据，揭示含水率与冻融循环次数为路基冻害主控因素，其与冻胀变形呈显著正相关。

（2）路基冻胀变形的最不利因素组合识别与影响排序

极差与方差分析表明：W₃C₂T₁N₃组合（含水率22%、压实度65%、-20℃冻结温度、第4次冻融循环）为最不利工况，冻胀量影响因素排序为：含水率>冻融循环次数>冻结温度>压实度。

（3）基于多算法优化的SVR冻胀预测模型对比

构建GA-SVR、PSO-SVR和SSA-SVR三类预测模型，其中PSO-SVR模型在最大冻胀量预测中展现出最优表现，RMSE值较GA-SVR和SSA-SVR模型各降低10.2%和27.3%，R²达0.9465，显著优于GA-SVR（0.9176）与SSA-SVR（0.8968），验证粒子群算法在超参数优化中的全局收敛优势。

（4）基于PSO-SVR的冻胀变形敏感度分析

模型敏感性研究表明：含水率对路基产生路基冻胀变形的影响程度最大，元距离值为2.936，其次分别是冻融循环次数（2.59）、冻结温度（1.914）以及压实度（1.734），印证正交试验结论。

研究内容2：考虑细粒含量影响的粗粒土路基冻融特性试验研究

（1）细粒含量对路基填料物理性质的影响

土工试验表明：细粒含量增加导致比重与最优含水率上升；最大干密度在细粒含量增加过程中先增大后减小。细粒含量增至10%时，填料最大干密度达峰值1.84g/cm³，最优含水率提升至17.9%。在该细粒含量下，研究区路基填料表现出最佳的压实效果。

（2）细粒含量对粗粒土路基冻融特性的影响

室内模型试验揭示：随着细粒含量的增加，路基在试验过程中体积含水率变化速率加快，变化幅度增大，同时路基土体的温度变化速率有所减慢。此外，较高的细粒含量会导致冻融循环过程中路基的变形量逐渐增大，并且变形速率有所提高。以冻胀量为评价指标，确定研究区路基填料的最佳细粒含量为10%。

（3）基于多模型融合的冻融变形时序预测

构建ARIMA、PSO-LSTM及ARIMA-PSO-LSTM组合模型进行粗粒土路基冻融变形时序预测，以均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）和决定系数（R²）为评价指标。结果表明：组合模型表现最优（RMSE=15.1，MAE=13.4，R²=0.988），较单一ARIMA和PSO-LSTM模型预测均方根误差分别降低72.1%和67.0%，验证模型融合的有效性。