Верхнее строение пути - рельсы, скрепления, соединяющие рельсы между собой и с основанием, шпалы, балластный слой - представляет собой инженерное сооружение, все элементы которого взаимосвязаны. Изменение в условиях работы одного из них сразу же отражается на всех остальных элементах. Наиболее ответственным элементом верхнего строения пути является рельс, который первым принимает динамические нагрузки от колес подвижного состава.
Как отмечалось, железным дорогам предшествовали колейные дороги, по рельсам которых катились вагонетки (такое решение применялось в основном на угольно-рудных предприятиях). Однако рельс в нашем сегодняшнем понимании - двутавровая балка, верхняя полка которой приспособлена длявзаимодействия с колесами подвижного состава, - на дорогах тех лет отсутствовал. Колеса катились либо по деревянным направляющим, покрытым металлическими полосами, либо по направляющим (и одновременно несущим) металлическим уголкам, прикрепленным, как правило, к деревянным лежням или поперечинам. Такое решение не могло устраивать даже паровые железные дороги, так как с появлением паровозов резко повысились нагрузки от колес, а скорости (уже у первых локомотивов) достигали 50 км/ч и более.
Учитывая высокие динамические нагрузки от колес подвижного состава и необходимость работы на изгиб, все варианты рельсов в той или иной степени по профилю приближались к форме двутавровой балки. Как известно, такое очертание профиля рельса позволяет иметь наибольший момент инерции, а отсюда наименьшие кромочные напряжения. Распространение получили две конструкции рельсов - двухголовый и широкоподошвенный. При создании двухголового рельса его авторы полагали, что после износа одной головки рельс можно будет перевернуть и использовать другую его сторону. Однако эта идея не оправдалась, так как износ верхней головки от воздействия колес подвижного состава сопровождался износом его нижней части.
Русские инженеры уже в первые годы развития железных дорог выбрали широкоподошвенный рельс. На линии С.-Петербург - Москва были уложены такие рельсы, изготовленные на Людиновском заводе. Впоследствии этот профиль рельса распространился по всем железным дорогам мира.
Первые рельсы изготавливались в основном из чугуна. Однако было установлено, что стальные рельсы изнашиваются меньше и равномернее, чем чугунные. Последние очень скоро перестали использовать на железных дорогах. В настоящее время во всех странах применяют только стальные рельсы, металл которых (кроме углерода) содержит кремний, марганец и другие добавки, повышающие его качество. Широкое распространение получили термически упрочненные рельсы, твердость материала которых повышена с 290-300 до 360-380 единиц по Бринеллю, что в 2 - 3 раза повышает их износоустойчивость.
Профиль рельса за последние 140 лет изменился мало, зато его масса увеличилась с 20 -24 до 75 - 77 кг/м. Для дорог широкой колеи наиболее часто применяют рельсы массой: 54 - 60 кг/м в Западной Европе, 65 - 75 кг/м в СНГ, 66 - 70 кг/м в США, Канаде, Австралии. На скоростных линиях повсеместно используют рельсы не легче 60 кг/м. Однако в странах Европы и США, а также в других странах на малодеятельных и станционных путях еще имеются легкие рельсы массой 33 - 44 кг/м. Такие рельсы широко применяют на узкоколейных дорогах.
На дорогах большинства технически развитых стран рекомендуется укладывать рельсы различных типов в зависимости от грузонапряженности линии и скоростей движения. В СНГ при грузонапряженности более 80 млн. т. брутто на 1 км в год - Р75; 15 - 80 - Р65; при меньшей, чем 15, - Р75 и Р65 старогодные отремонтированные, снятые с главных путей, а также Р50. Техническая политика в области длин рельсовых плетей предусматривает укладку бесстыкового пути от светофора до светофора с соединением рельсов на границах блок-участков клееболтовыми изолирующими стыками, способными воспринимать продольные усилия до 1800 - 2000 кН. На скоростных линиях находит применение такое техническое решение, когда на границах блок-участков не требуется прерывать рельсовые нити (из-за установки изолирующих стыков). Рельсы соединяются со шпалами промежуточными скреплениями. В СНГ, США, Канаде, Мексике и других странах это, как правило, костыльное соединение. В Западной Европе шурупное прикрепление рельса к шпале (деревянной или железобетонной) является типовым решением.
Различные варианты соединения рельсов со шпалами с помощью костылей или шурупов существовали с момента постройки первых железных дорог. Новым за последние 50 - 60 лет является переход к промежуточным скреплениям пружинного типа, обеспечивающим упругое соединение подошвы рельса с основанием.
В СНГ, Японии, странах Западной Европы промежуточные скрепления с пружинными элементами являются обязательными при устройстве бесстыкового пути. В этом случае нет необходимости устанавливать добавочные противоугонные приспособления, что является обязательным при костыльном скреплении.
Деревянные шпалы мало изменили свою форму за последние 140 лет. Однако на большинстве первых железных дорог укладывали непропитанные шпалы, древесина которых выходила из строя через 8 - 12 лет. Следует отметить, что уже при строительстве дороги С.-Петербург - Москва шпалы пропитывали под давлением. В настоящее время на всех дорогах мира в путь укладываются деревянные шпалы, пропитанные антисептиком, что повышает срок их службы не менее чем в 2 раза.
Железобетонные шпалы получили широкое применение в Европе и Азии в основном после 1950 г. В США, Канаде и ряде стран Африки железобетонные шпалы применяют ограниченно, поскольку там имеется возможность изготавливать шпалы из деревьев твердых пород. Срок службы железобетонных шпал достигает 50 - 60 лет. В странах СНГ бесстыковой путь укладывают только на железобетонных шпалах с использованием упругих резиновых площадок-амортизаторов в под рельсовых сечениях.
Для усиления подрельсового основания все шире проводятся эксперименты с применением рамных, блочных, а также монолитных железобетонных конструкций. Одной из типовых конструкций на мостах, эстакадах и тоннелях является плитное подрельсовое основание.
Песок, гравий, щебень, как и 140 лет назад, являются типовыми составляющими балластной призмы. Следует отметить, что еще на дороге С.-Петербург - Москва устраивали двухслойную призму: песчаную, основную часть призмы покрывали слоем щебня толщиной до 18 см. Качественно новым решением, которое еще находится на стадии эксплуатационных испытаний, является монолитное скрепление балластной призмы латексами и другими вяжущими составами, что в 2 - 4 раза может повысить несущую способность подрельсового основания.