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相似材料物理模型试验被视为解决岩石力学和矿业工程学科等相关问题的重要手段之一,而含水率是相似模型的基本物理量,模型内部含水率的分布状态对模型试验的相似性和精准度起到决定性作用。一方面本文中引入基于拉曼散射原理的光时域反射技术(Roman Optical Time Domain Reflectometry,ROTDR),同时结合主动加热式碳纤维光纤(Active Heating Carbon Optical Fiber,AH-COF)含水率监测方法对模型养护过程中各时期水分场的分布状态进行无干扰、实时监测;另一方面通过试件试验构建相似材料含水率与其力学性质之间的数学模型,对优化物理模型试验过程,提高模型试验的模拟精度起到了关键性作用。本文阐述了主动加热式碳纤维光纤含水率监测方法的基本原理,提出了稳定温升值的概念。结合传热学原理从微观角度解释了加热过程中光纤的稳定温升值与相似材料导热系数之间的关系,进而得到相似材料导热系数与含水率之间的关系。设计了 AH-COF含水率监测系统,并对系统中的设备进行模块化分类,将该系统分为供热模块、传感模块及数据处理模块三部分。详细说明了每一部分的工作原理,从相似材料本身、外界环境以及试验操作等方面分析了可能存在影响AH-COF含水率监测系统监测结果的各种因素。由于传感器的性能对AH-COF含水率监测系统测量结果有较大影响,因此,对已有传感器进行了材质及密封性的改进,新型传感器能够帮助提高含水率测量精度。为使相似材料模型的模拟效果更接近理论计算值,针对相似材料配比确定的问题设计了 4因素5水平正交试验。分析了不同含水率及配比对相似材料力学性质的影响,将所得相似材料力学性质参数进行线性回归,并借助实际地质资料对回归方程进行可行性分析,计算误差范围为5.2%～13.7%,能够满足模型试验的基本要求。将葫芦素井田岩石力学性质参数代入回归方程中,得出适用于相似材料模型试验的配比及达到最佳试验状态时模型的含水率值。为建立稳定温升值与相似材料含水率之间的函数关系,设计了率定试验,试验结果表明:不同种类相似材料在不同含水率条件下稳定温升值的变化均表现为加热前期增速较快而最终趋于稳定的规律。通过稳定温升值与时间对数的拟合结果得到相似材料的导热系数,进而对不同种类相似材料导热系数和含水率分别进行线性拟合得到两者之间的关系式,最终实现含水率的实时监测。引入FDR的监测手段对相同相似材料进行含水率监测,将FDR的监测数据与AH-COF含水率监测系统的监测数据进行对比验证,可知在含水率大于3%时,最大测量误差为4.2%,证明AH-COF含水率监测系统的测量可靠性较高。进行相似材料平面模型试验,同时引入克里金插值法对模型已测含水率数据进行插值,将插值数据与实际监测数据进行对比分析,得出两者之间的相对误差范围为0.43%～2.91%,满足试验要求。随着养护时间的增加,模型内部含水率自上而下呈增大的梯形分布趋势。平面模型在养护到第30天时,内部含水率范围为3～6%,与理论计算最佳含水率范围4%～5.7%最为接近。除此之外,模型的各物理力学数值分布范围与理论计算值之间的误差不超过20%,证明养护到第30天时相似材料平面模型达到最佳试验状态。