轨道检测技术实验课程创新型教学模式探索

路宏遥，娄小强，张泽群，王凯超，要会涛

（上海工程技术大学城市轨道交通学院，上海 201620）

0 引言

铁路是国家重要基础设施和交通运输的大动脉，在经济和社会发展过程中扮演着重要的角色。我国高速铁路投入运营总里程到2025 年预计将达到3.8 万km，覆盖全国大部分大中城市［1］。高速铁路的重心已经逐渐从建设阶段向运营维护阶段过渡，面对大规模的投入运营的高速铁路线路，应当怎样科学有效地对其进行维护，保持其安全性与可靠性，也成为铁道工程专业理论教学和实践环节的重要内容［2-3］。

目前，铁道工程基础设施维护保养技术是我院铁道工程专业学生教学培养计划中的重要一环，其主要目标是培养学生对铁路基础设施在运营阶段的检测、维护等方面的综合素质，使他们以后在今后的工作中能够从事轨道设计、施工与维修工作，具备解决现场实际问题的能力［4］。然而，区别于传统的有砟碎石道床结构的铁路，现阶段高速铁路多采用混凝土整体道床结构，线路整体纵向刚度更加均匀。作为暴露在自然条件下的多层混凝土结构，线路在服役过程中更容易受到温度等气象参数的影响［5］，造成不同层间结构出现不均匀变形，出现层间剪切破坏与离缝掉块等问题，影响列车运营的安全性［6］。传统铁道工程的教学与实践环节中并未能充分考虑高速铁路无砟轨道养护维修方法与既有普速铁路的差异性，主要还是通过理论知识的讲解为主，有效的实验开展与建模仿真工作受到条件的限制未能有效开展，存在教学过程中学生参与度较低，绝大多数的学生往往是被动接受专业知识等问题［7-8］。为适应高速铁路的发展对专业技术人才的需求，培养高等教育人才在解决问题时理论知识的运用与实际动手能力的结合能力，需要在教学过程中更加注重实践环节的教学方式的创新［9-10］。

根据铁路工务部门所关注的实际问题，轨道检测技术实验课程创新地将实验设计与建模仿真相结合，形成了一种包含学生主动参与设计开发实验与建模仿真的教学方式，促进了学生对教学内容的理解与掌握，有效地提高了教学的质量与效果。

1 无砟轨道结构特点与维修方法

1.1 无砟轨道结构特点

以我国华东地区应用较广泛的CRTSⅡ型板式无砟轨道结构为例，其结构自上而下是由钢轨、扣件系统、预制轨道板、砂浆层和支承层等组成，如图1 所示。相邻轨道板之间通过纵向钢筋相互连接，用来抵抗轨道结构的纵横向作用力。轨道板与砂浆层之间选用水泥乳化沥青作为填充层，可保证列车荷载在垂向的均匀至下部基础结构。

图1 无砟轨道结构示意图

1.2 无砟轨道常见病害类型

无砟轨道结构长期暴露于自然条件中，随着气象参数的改变，无砟轨道结构的内部温度也会发生相应的变化。然而无砟道床结构传热性能相对较差，不同深度的温度变化相对于表面存在一定的滞后性，在结构内部上易产生非线性的温度梯度，造成纵连板式无砟轨道结构不同层间出现较大的剪切应力，导致结构出现开裂与离缝等问题，影响轨道结构的可靠性与耐久性，降低其服役性能［11］。图2 所示为某运行线路轨道板与砂浆层之间脱粘，产生离缝病害，极大影响列车运行的安全。

图2 无砟轨道常见离缝病害

1.3 无砟轨道养护维修方法

为防止层间伤损病害等的发生，工务部门通常采用植入钢筋的方法对无砟轨道结构进行加固处理。植筋锚固的主要作用在于通过增加界面的断裂韧度和剪切强度，以提供限制产生轨道板过大上拱的竖向约束力［12］。植筋锚固的方式是从轨道板的上表面钻孔并穿过砂浆层至支承层并插入剪力筋。剪力筋周围和上部的空隙用植筋胶密封住，植筋方法如图3 所示。

图3 植筋工艺示意图（mm）

2 创新实验设计与实施

2.1 实验试块设计

为模拟荷载作用下无砟轨道剪切破坏的过程与植筋工艺对层间抗剪切性能的影响，引导学生充分利用既有实验装置，搭建小比例实验试块模型。学生结合先前理论课程所学，掌握无砟轨道结构的材料配合比后，依次在尺寸为100 mm ×100 mm ×300 mm的模具逐层浇筑轨道板、砂浆层与支承层材料，并在合适的温度条件下充分养护［13］。同时，为考虑植筋后对结构抗剪性能的影响，对比在另一试块中心预埋入一根直径为8 mm，长度为250 mm 的钢筋进行模拟植筋情况。混凝土的搅拌、砂浆层的配比、钢筋预埋与模型混凝土养护等工作，要求学生合理分组且全过程参与，所浇筑的实验试块如图4 所示。

图4 混凝土试块

2.2 实验工装设计

实验室既有试验机为通用类材料的拉压试验装置，无法直接进行材料的剪切实验。为实现无砟轨道层间抗剪切性能的模拟，指导专业学生结合所浇筑的混凝土试块尺寸，设计合适的抗剪工装［14］。学生充分考虑实验的实际需要并进行材料强度受力分析后，设计了包含厚度为20 mm 的不锈钢主平台与可调节加载支撑头等组成的剪切实验工装。通过在主平台设置凹槽，安放T 型支撑块，可实现支撑块上放置实验试块，并通过插销连接杆实现T型支撑块锁紧。试验机上部根据实验需要安装可更换相应尺寸的支撑头，可实现应力集中或者应力分散的需求，图5 所示为新设计的实验工装。

图5 新设计的实验工装

2.3 实验实施

实验试块浇筑养护完成后，放置于所设计的工装上完成固定，通过加载支撑头对试块进行加载，实现无砟轨道不同层间剪切破坏的模拟。学生依次将有植入钢筋和无植入钢筋的两个试块在相同的条件下进行加载，直至试块剪切破坏停止加载，某组试件破坏前后的情况如图6 所示。

分析并统计不同试块受力与变形的曲线，得到有无植入钢筋时试块剪切破坏特征。图7 所示分别为内部无钢筋和内部植入钢筋的试块破坏曲线，对比可知，内部植入钢筋后结构抵抗破坏的能力明显增强，约提高了16.3 kN。这也间接说明了通过在无砟轨道合适位置植筋，可有效提高结构的整体性与抗剪性能，有效减少结构的病害产生。学生亲自动手试验，直观认识了无砟轨道在荷载作用下层间的破坏情况与规律，并对合适的养护维修工艺有了更为深入的认识。

图6 试件加载前后的状态

图7 有无植筋试块破坏对比

3 有限元建模仿真分析

3.1 模型建立

基于先前所进行的剪切实验，学生对理论所学更为深入的认识。引导学生结合无砟轨道的设计图，建立板式无砟轨道有限元分析模型（见图8），用于分析荷载作用下结构的受力与变形规律，探究无砟轨道的薄弱位置与合理维修工艺，并实现实验室内难以实现对更多工况的模拟。

图8 无砟轨道有限元分析模型

3.2 结构病害易发生位置确定

为找寻无砟轨道结构易出现伤损破坏的位置，根据实际情况在无砟轨道内部施加温度荷载，分析结构存在温度变形情况下出现应力集中不利位置［15］。分析可知，轨道板的应力集中位置出现在板端与板角的位置，如图9 所示。在温度荷载的持续作用下，轨道板变形与各向受力不断增大，当轨道板与砂浆层之间的垂向拉应力超出其粘结能力，造成轨道板与砂浆层脱粘，产生层间离缝伤损等病害，影响线路的稳定性。

图9 轨道板不利位置的确定

3.3 科学维修工艺探索

在夏季高温天气下，较大温度应力作用可能导致轨道层间出现剪切破坏，对轨道结构的稳定性产生极为不利的影响。结合小比例试块的受力分析与建模仿真所确定的不利位置，可在关键位置进行植筋锚固，通过增加界面的断裂韧度和剪切强度，以提供限制产生轨道板过大上拱的竖向约束力。如图10 所示，为探究合理的维修工艺，学生结合建模仿真结果所确定的不利位置，提出可有针对性在易出现破坏的板端位置进行植筋锚固，保证无砟轨道结构的稳定性。

图10 板端合适位置植筋锚固

4 实验实施效果

通过对课程传统的教学方法进行改善，极大增强学生独立思考与团结合作能力。创新型教学模式的开展基于铁路部门所关心的实际问题，引导学生设计实验方法、开发实验工装与仿真计算分析，使本专业学生获得更多的动手实践机会，有效地补充既有理论课程认知的不足，在教学中取得了较好的效果。

（1）提升理论知识。为保证实验设计、工装研发与仿真建模等工作的顺利实现，学生在实验前需通过图书馆、网络等途径查阅大量资料，探究最为合适的实验步骤和验证方法，既提升了学生查阅资料和分析问题的能力，又提高学生的协调合作能力，在理论教学与学生创新能力培养等方面均取得了较好的效果。

（2）提高动手实践能力。实验进行过程中，学生参与实验准备、设计与分析阶段等全部环节，对既有实验装置的限制进行思考，开发新型实验工装，合理进行小比例混凝土试块的设计，熟悉了无砟轨道的材料配比、混凝土试块浇筑养护以及试验机的使用方法，极大提高了学生的动手实践能力。

（3）掌握专业软件操作。在实验模型与工装设计阶段，结合设计图与实际尺寸，学生应用solidworks 等软件提前进行剪切实验工装的设计，为今后从事轨道交通结构设计打好了基础。实验数据处理与分析阶段，学生进一步应用统计分析与绘图软件，对实验数据进行科学分析与思考，掌握了从事科学研究的基本技能。在建模仿真分析阶段，学生应用有限元分析软件，探究无砟轨道的结构受力特性，分析结构破坏机理与维修方法，对工程实际的需求认识更深入。

5 结语

围绕轨道检测技术实验的课程培养目标，将创新的教学理念引入理论与实践教学环节中，把学生所需的专业知识有机整合于课程之中，应用专业设备与软件进行动手操作，掌握实际解决高速铁路工程所关心实际问题的能力。创新型教学模式的开展，学生的创新思维、设计思路、实践技能和沟通能力都得到了较大的提升，有效提升了教学的效果，为培养高级工程应用型人才的目标奠定坚实的基础。