针对土体中水的激烈相变点在不同介质、不同真空负压条件下的不确定性问题，选取纯水、水砂混合物、生态疏浚底泥作为研究对象，真空负压采用逐级加载的方法，探究在不同真空负压条件下不同介质中水的激烈相变点温度，并提出了激烈相变点的测定方法。同时，为与常见真空预压脱水技术进行横向比较，体现本技术的优越性，同步设计了常规真空预压和电渗真空预压的模型单元。同时，该技术也成功应用于工程项目，证明了相变式真空预压技术的可行性和优越性。

为研究真空负压条件下温度对底泥脱水干化的影响，分别以纯水、水砂混合物、生态疏浚底泥为研究对象，开展模拟实验研究。其中，纯水为自来水，水砂混合物中的水为自来水，砂为中粗砂，生态疏浚底泥为昆山市河道疏浚底泥，呈流塑状，初始底泥质量136 kg，初始含水率为110.5%，密度1.42 g·cm⁻³，孔隙比3.07，液限43.3%，塑限23.2%，有机质质量分数为7.5%，粘粒质量分数30.4%，无强度。

为开展相变式真空预压模拟研究，分别设计了纯水模拟实验、水砂混合物模拟实验和疏浚底泥模拟装置 (图1) ，主要包括模型桶、真空加载装置、加热装置和监测系统。

1) 模型桶。纯水模型和水砂混合物模型采用有机材料模型桶，透明状，模型桶呈圆柱形，直径为30 cm，厚度10 mm，高度为55 cm，顶部由双层法兰盘和硅质密封圈组成。

2) 真空加载装置。真空加载由全自动真空泵和控制系统组成，自动设定真空压力，功率3 kW，最大抽气量 100 m³·h⁻¹，可提供100 kPa的真空压力。

3) 电渗加载电源。提供电渗加载电压，与电脑连接后可按设定时间间隔采集和记录数据。

4) 加热装置。纯水和水砂混合物模拟实验采用金属电热管，长15~20 cm，直径15 mm，功率为0.5 kW，加热管连接温控开关，可设定温度大小；疏浚底泥模型桶采用水浴箱加热。

5) 监测系统。包括真空表、位移传感器 (百分表) 、孔隙水压力传感器、温度传感器、水平计重器、电压和电流。

1) 纯水模拟实验是指在不同的真空负压条件下，即分别在20、40、60、80、87和100 kPa，探究纯水的激烈相变点与真空负压之间的关系。

2) 水砂模拟实验是在真空负压为80 kPa时，探究饱和砂土中水的激烈相变点。在水砂混合物和模型内部蒸汽空腔中，设计2组监测点，绘制温度和真空负压的关系曲线，确定土中水的激烈相变点。另外，在水浴箱内设置一个温度监测点，记录外部增温的变化过程。

3) 疏浚底泥平行对比模拟实验。实验对象为昆山市河道疏浚底泥，设计3个模型桶，分别采用常规真空预压、电渗真空预压和相变式真空预压技术。模型桶底部铺设5 cm的砂垫层，排水板宽10 cm、长25 cm、厚4 mm，水平布置在砂垫层中，其上装置底泥厚度为40 cm，孔隙水压力、土压力、真空表探头和温度传感器埋设位置保持一致，之后进行模型密封，并采用百分表监测底泥竖向沉降量，水平计重器监测出水量变化。真空度均采用逐级加载的方式，依次为20~30 kPa、50~60 kPa和满载80 kPa。为了横向比较电渗技术和相变技术，在满载48 h后，同时进行电渗桶的电渗作用和相变桶的增温加热作用。增加电渗单元是将电渗和电热相变真空预压的脱水干化效果进行对比分析。

各模拟单元膜下真空度如图2 (a) 所示。真空压力采用逐级加载的方式，初始真空负压为30 kPa，24 h后增至60 kPa，48 h后由60 kPa调整为80 kPa。在工程应用中，膜下真空负压一般保持约为80 kPa，因此，为模拟工程应用要求，在分级加载后，膜下真空负压约稳定为80 kPa。

从累计出水量来看，如图2 (b) 所示，常规真空预计压、电渗式真空预压和相变式真空预压可分3个阶段。第一阶段，在电渗和加热作用之前，累计出水量变化规律基本一致，随着真空负压逐级增大，累计出水量曲线呈阶梯状缓慢递增。其中，常规真空预压累计出水量最大，其次是电渗真空预压，相变式真空预压最小。第二阶段，当累计出水速率小于20 g·h⁻¹时，开始介入电渗和增温加热作用。该阶段相变式真空预压排水速率骤然增大，超过电渗式真空预压和常规真空预压。第三阶段，电渗式真空预压累计出水速量超过常规真空预压，并趋于稳定，但最终出水量仍远小于相变式真空预压，反映了相变式真空预压在脱水效果方面的优越性。

分析其原因，第一阶段是因为常规真空预压排水板性能略优于电渗排水板^[18-19]，相变式底部排水板位于监测平台下，排水通道发挥受限，因此，常规真空预压出水量最大，电渗真空预压次之，相变式真空预压最小；第二阶段，增温加热后，相变式真空预压因激烈相变作用，水在土中的渗透系数陡然上升，累计出水量明显增加，电渗真空预压在电场力的作用下累计出水量有所增加；第三阶段稳定发展，相变式真空预压出水速率持续增大，并保持相对稳定，累计出水量增加较大，一段时间后，三者曲线趋于平稳，曲线呈水平状，常规真空预压首先不出水，相变式真空预压和电渗真空预压后期基本不出水。

实验结束后对各模型底泥进行取样分析，每个模型取9个样品，取样位置如图3所示。以底泥中心点为轴线，轴心位置为1号孔，上中下对应样品编号为1、2和3，对应的子编号为1-1、1-2和1-3。

从纵向上来看，各模型上中下含水率变化如图4 (a) 所示，常规真空预压单元上层底泥含水率为47.85%，中层为50.67%，下层为52.45%，从上到下含水率总体表现为随深度增加而增加，递增梯度基本一致。这反映了常规真空预压脱水干化不均匀和上硬下软的现象。电渗真空预压单元上层土体含水率为38.76%，中层为42.38%，下层为46.7%，底泥含水率上中下变化规律与常规真空预压基本一致，但上层底泥含水率较常规真空预压降低了9.09%，中层降低了8.29%，下层降低了5.75%，含水率减小较大；相变式真空预压上层底泥含水率为19.33%，中层为16.03%，下层为12.93%，含水率总体表现随深度增加而减小，其中上层土体较常规真空预压单元上层土体含水率降低了28.52%，中层降低了34.64%，下层降低了39.52%，含水率减小最大。

从横向上来看，以模型轴线为中心，由外向内进行取样分析，含水率变化规律如图4 (b) 所示，常规真空预压单元内中外含水率大小基本一致。电渗真空预压单元内中外含水率变为逐渐增大，主要是因为中部沉降较大，阳极和阴极排水板距离较近，单位距离电势较大，脱水干化效果较好。相变式真空预压单元内中外含水率变化较为明显，外部底泥含水率为4.89%，中部为19.29%，内部为24.12 %。由于相变式真空预压采用水浴加热不锈钢模型桶，热量由外到内进行传递，外部底泥首先达到激烈相变点，底泥中的水充分相变，相变周期作用时间较长，含水率较小，若维持加热时间，内部土体含水率将于外部土体一致。温度在淤泥中的热传导效率对相变式真空预压技术在脱水干化方面的应用影响较大，也是后期研究的重点内容。

综上所述，相变式真空预压对底泥的脱水干化效果明显优于常规真空预压和电渗真空预压，大幅度提高了底泥的脱水干化效率，但温度传导效率和温度差的影响在一定程度上限值了相变式真空预压的脱水干化的均匀性。如何使温度均匀加载是后期研究的重点，如可通过缩短热源间距、增大热源接触面积等方法进行深入研究。

根据底泥沉降量监测数据，采用双曲线法，计算其固结度，如表1所示。常规真空预压单元固结度为94.26%，电渗真空预压单元固结度为96.76%，相变式真空预压单元固结度为97.15%，相变式真空预压单元土体固结度最大。因此，通过对底泥进行增温加热，促进了底泥的固结沉降。

体积压缩率采用充水法进行测量，将脱水后的底泥取出后重新放入充满水的模型桶内，溢出水的体积即为脱水干化后底泥体积。如表2所示，常规真空预压体积压缩率为37.09%，电渗真空预压为38.10%，相变式真空预压为60.5%，相变常规真空预压提高了63.2%，相比电渗真空预压提高了58.8%，极大地增加了底泥的沉降压缩，实现了减量化处理的目标。

根据纯水模拟实验结果，以水剧烈沸腾时的温度作为激烈相变点温度，当真空负压逐级分别加载到20、40、60、80、87和100 kPa时，水的激烈相变点如表3所示。

同时，根据不同真空负压下水的激烈相变点温度，绘制了激烈相变点与温度的拟合曲线 (图5) 。

式中：p为真空负压，kPa；T为对应的激烈相变点温度， ℃。

图5表明，随着真空负压增大，水的激烈相变点逐渐减小，尤其是曲线后半段，曲线较陡，递减速率较大。当真空负压超过80 kPa时，递减速率接近最大值。纯水的激烈相变点模型实验反映了水的状态变化与真空负压和温度之间的关系。同样，底泥中水的变化与真空负压和温度也应有类似的变化规律，可为后续的模拟实验提供参考。

水砂混合物模拟实验中研究对象为中粗砂，其特性饱和，级配优良。水砂样温度与室温基本一致，采用水浴加热封闭模型的方式进行水砂混合物的增温加热，水砂混合物和封闭模型空腔内设置2组温度监测点，监测水砂混合物和空腔蒸汽的温度变化。2组监测点温度变化如图6所示，实验过程中模型空腔内的真空负压与真空泵的压力一致，大小为85 kPa，水砂混合物中的真空负压为80 kPa。随着水浴箱内水温逐渐升高，模型空腔内的蒸汽温度增加较快，水砂混合物的温度增加较慢。当水砂混合物温度和模型空腔内蒸汽温度逐渐上升至一定值后，趋于稳定。此时，水砂混合物温度略大于模型空腔内的蒸汽温度，这主要是模型空腔内的真空负压略大于水砂混合物中的真空负压所致。真空负压越大，相变点温度越低。1号监测点水砂混合物中水的激烈相变点温度值为65.8 ℃，2号监测点水砂混合物中水的激烈相变点温度值为66.6 ℃，二者基本一致。综上所述，在真空负压80 kPa下，水砂混合物的激烈相变点温度约为66 ℃。水砂混合物的激烈相变点高于纯水的激烈相变点，反映介质的组成对激烈相变点影响较大，物质组成越复杂，或者颗粒越小，相互之间联系更为紧密，激烈相变点可能越大。

在真空负压条件下，对底泥进行增温加热有利于快速脱水干化，探讨温度对底泥脱水干化效果的影响。王天园等^[14]发现在真空负压为96 kPa时，温度为40~50 ℃时底泥脱水干化效果较好，较高的温度导致排水板滤膜溶解失效，产生淤堵。程瑾等^[15]通过现场实验研究发现较高的温度会使底泥达到较好脱水干化效果，但增温元件附近底泥严重失水板结，易形成“隔热阻渗”层，影响热量的传导和底泥的渗透性。郑良科等^[20]在真空度为96 kPa时，分析了不同温度下底泥热排水固结效果，温度为40 ℃时的排水固结效果最好。故过高的温度将降低底泥脱水干化效率，且能耗增大，而水的相变与膜下真空度有着密切的关系，纯水和水砂混合物模拟实验也充分反映了两者关系。因此，选择合适的温度对底泥进行增温加热为本研究的重点。

1) 出水速率变化情况与温度的关系。如图7 (a) 所示，开始增温加热之前，随着真空压力逐级递增 (30 kPa→60 kPa→80 kPa) ，出水速率线增大后逐渐减小，且递减速率较快；当真空压力稳定在80 kPa后，开始增温加热；在增温加热前，出水速率曲线呈水平状，平均出水速率约240 g·h⁻¹，在增温加热后，底泥温度明显上升，出水速率明显增大，平均出水速率为4 700 g·h⁻¹，提高了近20 倍。当土体温度达到67.8 ℃后，水浴箱水温持续增加，底泥温度基本保持不变，出水速率达到最大值。

2) 孔隙水压力的消散情况与温度的关系。如图7 (b) 所示，孔隙水压力的变化可分为4个阶段。第一阶段，在开始增温之前，随着真空压力的逐级递增，孔隙水压力骤然增加后逐渐消减，当真空负压递增至60 kPa时，孔隙水压力突然增大后逐渐消减，当真空压力增加至80 kPa时，孔隙水压力并没有明显变化，反映出在真空负压为60 kPa时，孔隙水压力消散已接近最大值，真空负压的增加无法进一步使孔隙水压力消散，土体有效应力的增加和固结受真空压力的影响较小。第二阶段，当开始增温加热时，孔隙水压力有所增大，主要是因为温度增大，底泥中的水汽膨胀，导致孔隙水压力有所增大。第三阶段，孔隙水压力急剧消散阶段，随着温度持续升高，孔隙水压力的消散速率远大于水汽膨胀产生的饱和蒸汽压，孔隙水压力急剧减小，总体表现为热收缩现象，当温度达到67.8 ℃时，孔隙水压力消散至最小值。第四阶段为稳定阶段，孔隙水压力基本保持不变，底泥排水固结完成，相比为增温加热前，孔隙水压力减小了13.95 kPa。综上所述，根据底泥排水速率和孔隙水压力变化规律与温度之间的关系，该底泥的激烈相变点温度为68.7 ℃。

1) 昆山市花桥淤泥干化处理 (二期) 项目位于昆山市花桥镇，面积约23 700 m²，长边×短边=210 m×113 m，淤泥为河道清淤底泥，方量约7.7×10⁴ m³，淤泥初始含水率为99.1 %，呈软塑状，平均厚度为3.5 m，工期为60 d。采用相变式真空预压技术进行脱水干化处理，增温加热元件间距为5.6 m^[21]，排水板间距为0.8 m，垂直插入底部。由于渗流场以垂向分布为主，故加热元件埋设在淤泥底部。从脱水干化效果来看，工前如图8 (a) 所示，工后如图8 (b) 所示。工后土体平均含水率为49.62%，累计沉降量为1.03 m，体积压缩率为29.4%。淤泥平均温度维持在48 ℃左右，最高温度为60 ℃，虽未达到相变点温度，但脱水效果较好，反应温度相对升高，提高了土体渗透性，在短时间内达到了快速脱水干化的目的。未达到相变点的原因可能是由于增温加热元件间距过大、有效功率过低或土体的热传导效率较低所致，因此，如何在工程应用中提高加热土体的温度，使其达到相变点，是该技术研究的重点问题。

2) 郭石塘综合整治工程一标段项目位于昆山市开发区，河道全长795 m，宽度约40 m，河道底泥方量为29 667.5 m³，淤泥初始含水率为123.2%，呈流塑状，平均厚度为2.5 m，工期为60 d。采用相变式真空预压进行原位脱水干化处理，脱水干化效果前后如图8 (c) 所示。工后土体平均含水率为44.6%，累计沉降量约1 m，体积压缩率为40.7%。该项目的脱水干化效果比花桥淤泥池项目较好，反映出底泥的初始状态对相变式真空预压脱水干化效果有所影响，也是今后应重点研究的内容。

3) 从经济上来看，结合以往工程实践，以花桥淤泥池干化处理项目为例，处理等量等质量的河道底泥：常规真空预压工期约180 d，单价约55.7 元·m⁻³，处理后的含水率约为65%；电渗式真空预压工期65 d，单价约70.9元·m⁻³，处理后的含水率约为55%；相变式真空预压工期仅为60 d，单价约62.8 元·m⁻³，处理后的含水率约为49.6%。

1) 水的激烈相变点温度随着真空负压增大而减小，常规真空预压下 (80 kPa) 水的激烈相变点温度为63.5 ℃，水砂混合物的为66 ℃，淤泥的为67.8 ℃。在相同的真空负压条件下，介质不同，其中水的激烈相变点有所差异，淤泥中水的相变点最大，饱和水砂混合物次之，纯水的相变点最小。

2) 通过模拟实验研究，淤泥中水的激烈相变点随着真空负压增大而减小，但不同淤泥的物质组成和结构对激烈相变点有所影响。本研究研发出一套自动化监测模拟装置，并根据出水速率和孔隙水压力与温度之间的关系，提出了一种激烈相变点的测定方法，为工程应用提供参考。

3) 相变式真空预压技术具有原位、高效和纯物理特点。在工程应用中，真空满载后开始持续加载温度至底泥激烈相变点附近，并采用温控电箱进行间歇式加载，保证底泥温度一直处于激烈相变点附近，脱水速率最大化，脱水干化后的含水率为40%~50%，体积压缩率为30%~40%，工期一般为60 d，但针对其不均匀沉降和在工程应用中温度无法达到相变点的原因有待进一步研究。