利用相似理论和物理模型试验模拟岩体工程现场是研究大尺度岩体结构力学作用机理的主要途径之一。模型相似材料的物理力学特性对模型试验具有决定性作用,其中物理模型的力学强度特性和模型试验进程主要受模型温度和含水率因素的影响。研究物理模型的温度和含水率特征,开展模型试验相似材料的热-湿耦合效应分析成为解决物理环境引起的模型试验相似误差的关键。本文针对相似材料物理模型水分场和温度场的演化特征,通过理论、试验和数值模拟,对模型材料的热湿耦合预测模型、模型含水率测试方法及空间重构技术、模型湿度扩散系数和变化规律和相似模型干燥过程的温度场和水分场变化规律等问题开展研究。通过分析模型材料干燥过程中热传递、湿传递以及相互耦合作用,建立了模型材料热、湿及空气耦合传递非稳态模型,提出了模型的干燥指数,得出合理的模型试验时间。结合Fourier定律、Fick定律和Darcy定律,考虑模型材料干燥过程中的孔隙结构的变化,石膏水化放热、通风和重力对水分移动的影响作用,将湿传递分为蒸汽扩散和液态水传递两部分;考虑了水分蒸发吸热和固体颗粒导热对热量交换的影响,揭示了模型材料干燥过程中热湿耦合机理。自行研制了新型光纤湿敏传感器,创新性的提出了以N-羟乙基乙二胺为耦合剂的光纤湿敏传感单元的制备工艺和基于光敏树脂的激光束点扫描固化的传感器封装方法,实现了模型材料干燥过程的湿度分布测量,得出了材料水分扩散系数。搭建了光纤湿敏传感器测试系统,研究了涂覆厚度为6-336μm之间的光纤湿敏传感器的性能(湿度灵敏度、响应时间),研究发现涂覆层表面孔径对响应时间的影响规律。开展了模型材料干燥过程的湿度时空分布特征研究,揭示了其在干燥过程中的湿度变化规律。在模型材料干燥过程中,内部湿度变化随时间可分为两个阶段,在空间上表现为沿高度方向呈梯度变化的特征。在不同的表面状态下,湿度扩散对模型材料近表面区域相对湿度的影响不同,临界时间和湿度下降幅度不同。模型材料湿度终态分布主要受初始湿度分布以及水化耗水和湿度扩散综合作用的结果。提出基于空间信息统计方法的模型材料干燥过程中温度和水分分布场的重构技术。空间信息统计方法以区域化变量理论为基础,以变异函数为基本工具,对研究具有随机性和结构相关性的数据可以实现最佳无偏内插估计,并对模型温度和水分场进行了变异函数推导。通过对测量数据的变异函数计算及对采用多种模型拟合结果的交叉验证比较分析,均低于常用的变异函数模型。采用自行推导的模型进行克里金插值的模型材料温度和水分分布场重构方法,经验证得到实测值与重构预测值的偏差小于2.0%。通过开展不同配比模型材料试件在干燥过程中单轴抗压强度试验,得到了模型材料试件单轴抗压强度随含水率的变化规律。研究结果表明随着含水率的减小,模型材料试件抗压强度呈单调递增的规律,此函数关系可用于物理相似模型的干燥过程,为使模型材料达到设计抗压强度而确定其最佳含水率。依据模型材料的含水率与力学强度的对应关系,用于减小由含水率因素导致的材料力学强度不符合设计强度的问题,减小实型和模型的相似误差,提高模型试验的模拟精度。提出物理相似模型的干燥指数,用于评估物理模型铺装完成后的干燥程度。通过光纤和电磁传感方法开展了平面模型和立体模型试验,研究了平面模型在夏季通风、夏季静风、冬季静风条件以及立体模型在秋冬春季静风条件下温度场和水分场的分布规律,揭示了模型材料干燥过程中含水率随时间的变化关系,得到含水率变化规律符合Exponential函数和Boltzmann函数特征,可用于模型材料干燥过程中含水率的变化预测,依据模型材料在不同含水率下力学强度的对应关系,可预估使其达到设计力学强度所需的时间,为减小由含水率导致材料力学强度不符合设计强度的问题,进而减小实型和模型的相似误差,为模型干燥时间的预测(确定)提供参考和理论支撑。经实测重构得到温度场和水分场的变化特征,揭示出模型材料干燥过程中变化规律。夏季通风和夏季静风状态下,温度场是先形成低温核心区,低温核心区下移,最后变成竖直方向梯度分布,水平方向大致相同的温度特征。立体模型和冬季静风状态下的平面模型,温度场是先形成高温核心区,再形成低温核心区,低温核心区下移,最后变成竖直方向梯度分布,水平方向大致相同的温度特征。水分场的特征是水平方向大致相同,竖直方向从上往下含水率逐渐升高,当模型附近有风流动时,对应位置由于水分蒸发速率提高,导致此处形成局部低含水率区。通过基于有限元方法的Comsol Multiphysies数值模拟对已建立的模型材料多场耦合数学模型进行求解,得到了不同环境条件下平面模型和立体模型的温度、水分场的分布特征。将上述模拟结果与实测重构的温度场和水分场分布特征和变化规律进行对比发现,基本特征是相符的,热湿耦合模型求解的结果与实测值的最大偏差都小于23%。