李济主持的殷墟第二、第三次发掘仍然属于试掘，目的是了解遗址的地层堆积情况，尤其是包括有甲骨而又未经扰乱过的堆积特征。发掘以探沟的形式进行。其中第三次发掘，在局部地段因不断扩方而形成了“大连坑”，并在“大连坑”底部发现了一个大窖穴，其内出土了轰动一时的大龟四版和各种陶器、陶范、石工具、青铜工具，以及象牙雕刻品、牛头鹿头刻辞等。这两次发掘共出土甲骨文3700多片，并且开始明确殷墟的范围实际超出小屯村以外。由于经验不足，李济对地层中出现的一层不含器物、质地纯正的堆积层百思不得其解，最终一股脑儿地沿用董作宾的说法，将这种堆积层统称为洪水淤积层。
1931年春对殷墟的第四次发掘，是中国田野考古发掘史上的转折点。那时，李济等人由于发掘山东章丘城子崖遗址，而醒悟到殷墟中的洪水淤积层与城子崖夯土墙的地层有着惊人的相似。当时有一位经过严格训练的考古学家梁思永，带着一套先进的考古发掘方法加入了殷墟的发掘。于是，李济决定采用大面积揭露方式寻找洪水淤积层。
一个困扰殷墟发掘近3年、在史学界造成极大影响的殷墟曾被洪水多次淹没的说法被澄清了。原来所谓洪水淤积层是殷代建筑基址的夯土层。这一发现不仅使殷墟为商代后期的都域增加了一条确凿的证据，而且充实了最初对殷墟发掘的目的。从此，成片地揭露殷代夯土基址，寻找、复原殷代宫殿、宗庙建筑，成为与发掘寻找甲骨文同等重要的任务，并且掀起了一股寻找夯土的发掘热潮。其中在第六次发掘揭露的一座30米长、10米宽的基址上，有排列整齐的柱础石，这使考古学家们恍然悟出以往发现于夯土台上的石块的作用，纷纷按柱础石位置排列成行，摄影留作纪念。
1928年秋至1937年夏，殷墟15次发掘的三大成果，分别是宫殿宗庙建筑基址、甲骨档案库和王陵区墓葬。其中对宫殿宗庙建筑基址的发掘，历时最长，占了9次，即第4至第9次、第13至第15次。这9次发掘的地点近10处，其中以小屯宫殿区为主，发掘了20000多平方米，揭露出由北而南三大片、50多座建筑群基址。其中北片15座，称为甲组，是以寝殿和享宴为主的居住使用的建筑。甲组中的11号基址，南北长46米许，东西宽10.7 米，面积约500平方米，上面除发现有石柱础外，还有铜柱础。南片发掘了17座，称为丙组，主要为居住与祭祀类建筑。居中一片称为乙组，有21座基址，大都面积较大，但被洹河破坏不少，为宗庙建筑和铸铜场所；其中乙8号基址，南北长85米，东西宽14.5 米，面积达1200多平方米。在乙组建筑基址群旁，还有大量的小墓和车马坑，大都为当时的祭祀遗迹。
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